автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса холодного прессования растительных масличных культур с последующим купажированием

На правах рукописи

005058279

КОПЫЛОВ Максим Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО

ПРЕССОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР С ПОСЛЕДУЮЩИМ КУПАЖИРОВАНИЕМ

Специальности 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 мліШЗ

Воронеж-2013

005058279

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Василенко Виталий Николаевич, декан факультета

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Магомедов Газибег Омарович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»), заведующий кафедрой

доктор технических наук, профессор Деревенко Валентин Витальевич (ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»), заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

аграрный университет имени императора Петра I»

Защита состоится «06» июня 2013 г. в 1400 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru «06» мая 2013 г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «30» апреля 201б! г. Ученый секретарь совета по защите диссер' аций на соискание ученой степени кандидата иа\ к, на соискание ученой степени дшЦоранауі^ \ 212.035.01 профессор у/ \ - Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Масложировая промышленность является важной отраслью пищевой индустрии России. На ее долю в 2010 году приходилось 5,3 % общего объема продукции, реализуемой организациями промышленности, более 4 % основных производственных фондов и около 5 % промышленного персонала. Кроме того, она является поставщиком маргаринов, жиров специального назначения для кондитерской, хлебопекарной и молочной промышленности, производителей мороженого, а также шрота и жмыха для комбикормовой промышленности.

Наибольшим спросом на рынке растительного масла пользуется подсолнечное масло. К середине 2012 года доля этого сегмента составила 86,84 % рынка. В денежном выражении в 2012 г. емкость масложирового рынка оценивается в 71 млрд. рублей, еще в 2006 г. она составляла 2,6 млрд. рублей.

Раскрытие функций полиненасыщенных жирных кислот (ПЖНК) омега-3, необходимость определенного соотношения омега-З/омега-6 ПНЖК изменили представление о безусловной пользе всех ПНЖК и оценке их полезного содержания в растительных маслах, используемых в питании. Разработанный вид продукции может занять на рынке одно из ведущих мест, т. к. он может использоваться не только как продукт питания, но и продукт лечебно-профилактического действия.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» на 2011-2015 гг. «Разработка новых и совершенствование энергосберегающих технологических процессов и аппаратов в химических и пищевых производствах» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440), в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Разработка ресурсосберегающей технологии экструдированных продуктов питания функционального назначения с повышенной пищевой и биологической ценностью и оборудования для ее реализации» (№ 08-08-99002); по Аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Выявление

закономерностей движения аномально-вязких сред при неизотермическом течении в каналах сложного профиля с учетом эффекта диссипации» (№ 2.1.2/960); по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых «Разработка энергосберегающей и экобиотехнологии получения биопрепаратов для предотвращения незаразных заболеваний сельскохозяйственных животных» (№ МК-2393.2013.4).

Цель и задачи диссертационной работы: является разработка и научное обоснование способа производства купажей растительных масел полученных методом холодного прессования на одношнековом маслопрессе; создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций зеерных камер. В соответствии с целью решались следующие задачи:

- научное обоснование выбора рецептурного состава купажей для производства функциональных растительных масел;

- исследование химического состава, физико-химических свойств и реологических характеристик получаемых масел;

- исследование основных закономерностей процесса прессования масличных культур и выбор оптимальных параметров процесса их переработки на одношнековом маслопрессе;

- разработка математической модели работы одношнеково-го маслопресса для отжима масла из выбранных масличных культур;

- проведение качественной оценки получаемых купажей растительных масел;

- разработка универсальной конструкции маслопресса для получения купажей растительных масел;

- проведение промышленной апробации и производственных испытаний предлагаемых разработок.

Научная новизна. Изучены основные реологические характеристики исследуемых растительных масел.

Получены кинетические закономерности изменения основных технологических параметров маслопресса в зависимости от величины кольцевого зазора, зазора между пластинами в зеерной камере, геометрических характеристик шнека, частоты вращения шнека и исходных характеристик сырья.

Разработана математическая модель, описывающая движение масличного сырья в рабочей камере маслопресса, а также процесс извлечения масла из масличных культур.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2422274, 2430147, 2450924, 2475167.

Практическая ценность. Разработан способ получения купажей из растительных масел методом холодного прессования. Определены оптимальные параметры процесса отжима растительных масел методом холодного прессования. Получены купажи растительных масел с оптимальным соотношением полиненасыщенных жирных кислот, которые являются незаменимыми для организма человека.

Разработана система автоматизированного проектирования САПР «Маслопресс» предназначенная для расчета конструктивных параметров маслопрессов, составления смесей из растительных масел и проектирования технологических линий получения растительных масел.

Разработана оригинальная конструкция маслопресса, позволяющая получать пищевые растительные масла и текстурированные жмыхи для корма животных; конструкция гранулятора для получения кормовых гранул из отходов после отжима растительного масла.

Разработана линия производства купажей из растительных масел, с оптимальным соотношения полиненасыщенных жирных кислот, необходимых для здорового питания человека

Проведена энергетическая оценка термодинамической эффективности разработанной технологической линии посредством эксергетического анализа.

Разработан бизнес-план «Создание мобильных установок и технологий для переработки масличных культур», который прошел независимую экспертизу в общероссийской общественной организации «Российское общество оценщиков», per. № 003828, где получил положительную оценку.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2010-2012 гг.), Екатеринбурге (2012 г.), Новочеркасске (2011 г.),

Астане (2012 г.), Ставрополе (2011 г.), Москве (2011-2012 гг.), Белгороде (2011 г.), Краснодаре (2012 г.), Махачкале (2010 г.).

Соискатель является лауреатом следующих конкурсов: «Золотой лев-2010» (диплом победителя II степени в номинации «Наука и техника» за разработку высокоэффективной технологии зерновых продуктов с программируемыми свойствами) (2010 г., г. Воронеж); «Eurasia Green» (диплом победителя за 4 место в номинации «Отходы в доходы») (2012 г., г. Екатеринбург); областной конкурс на лучшую научную работу (диплом победителя - 3 место «За разработку ресурсосберегающего оборудования для получения купажей растительных масел») (2011 г., г. Воронеж); международный конкурс научно-исследовательских работ молодежи «Продовольственная безопасность» (диплом победителя) (2012г., г. Екатеринбург); «УМНИК» (диплом победителя конкурса по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса») (2011 г., г. Воронеж); «Талантливая молодежь Воронежской области 2011-2013» (диплом лауреата премии в номинации «Научно-техническое творчество, учебно-исследовательская деятельность») (2011 г., г. Воронеж).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе 6 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, 4 патента РФ, 1 информационный обзор, 1 свидетельство РОСПАТЕНТА о госрегистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 20 таблиц. Список литературы включает 145 наименований, в том числе 32 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 68 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства растительных масел; обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о

современном состоянии теории, техники и технологии растительных масел, об основных направлениях совершенствования оборудования и технологии текстуратов. Приведены конструкции шне-ковых маслопрессов и их зеерных камер, выпускаемых в России и за рубежом, рассмотрены их отличительные особенности. На основании проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы задачи диссертационной работы и определены методы их решения.

Во второй главе обоснован состав полученных купажей растительных масел состоящих из подсолнечного, рапсового, горчичного масел и масла расторогапи: смесь 1: 78,8 % горчичного масла + 7,07 % подсолнечного масла+14,13 % масла расторопши; смесь 2: 55,36 % рапсового масла + 14,88 % подсолнечного масла + 29,76 % масла расторопши; смесь 3; 26,04 % подсолнечного масла + 24,65 % рапсового масла + 49,31 % горчичного масла; смесь 4: 38,28 % масла расторопши + 30,86 % горчичного масла + 30,86 % рапсового масла. Определены химические показатели полученных купажей из растительных масел, а также их жирнокислотный состав (табл. 1).

Таблица 1

Жирнокислотный состав н химические показатели купажей

растительных масел

Показатель Смесь № 1 Смесь № 2 Смесь № 3 Смесь № 4

Йодное число, г Л2/100г 105 122 112 128

Число омыления, мгКОН/г 178 184 187 186

Массовая доля восков, % 0,12 0,16 0,09 0,14

Массовая доля неомыляемых веществ, % 0,76 0,67 0,63 0,85

Жирнокпслотпын состав, %

Миристиновая С14:0 0,16 0,07 0,12 0,01

Пальмитиновая С 16:0 3,4 5,1 4,2 5,6

Пальмитолеиновая С 16:1 следы 0,12 0,23 0,14

Стеариновая С 18:0 1,43 1,87 2,12 1,46

Олеиновая С 18:1 18,42 37,3 27,02 29,92

Линолевая С 18:2 26,52 34,1 27,46 32,24

Линоленовая С18:3 2,66 3,38 2,77 3,24

Арахиновая С20:0 0,47 0,61 0,23 0,53

Гадолеиновая С20:1 1,23 0,2 0,13 0,1

Бегеновая С22:0 0,24 0,43 0,35 0,56

Эруковая С22:1 0,62 0,15 0,33 0,18

Лигноцериновая С24:0 0,16 0,1 0,06 0,08

Массовая доля токоферолов, мг/кг

а-токоферол 64,3 242,5 218,3 89,7

Р-токоферол 7,8 87,2 83,2 112,3

у-токоферол 15,2 14,2 12,3 15,6

Определен химический состав масличного сырья. Основная ценность масличных культур определяется в основном содержанием жиров и белков, имеющих важное как пищевое, так и кормовое значение (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав семян масличных культур

Культура Жир, % Белок, % Клетчатка, % Азот, % Зола, %

Подсолнечник масличный 43-57 16 26 2,6 3,3

Рапс яровой 33-45 26-31 5,8 4,8 4,6

Расторопша пятнистая 26-35 17,4 27 2,15 6

Горчица белая 25-37 25,8 8,0 3,9 5,3

Изучение реологических характеристик растительных масел, позволит определить:

343 К 333 329 323 31*313 ІЄН ЗаЗ 29» 21) 2Я* 2ЯЗ 27Н 273

шЛвс

271 27« 2ЯЗ 2(Ш 293 29* 363 39Я 313 3!» 323 32» 333 К 343

Рис. 1. Зависимость вязкости от температуры исходных масел и полученных смесей

исследуемых оптимальные технологические режимы прессования, влияние температуры на выход масла и поведение масличного сырья внутри рабочей камеры

маслопресса. Одной из важнейших физико-химических характеристик вещества является вязкость (рис. 1).

Определены реологические параметры мятки масличных культур. Обработка

результатов экспериментов методом методами математической статистики позволила определить индекс течения п (рис. 2) и коэффициент консистенции //, МПа с" (рис. 3).

Рис. 2. График зависимость индекса течения п от влажности IV и температуры Т

Рис. 3. График зависимости коэффициента консистенции ц от влажности IV

0.32 0,31 0.3 0.39

о га

0.27

0.04 0038 0.030 0.034 0.032 0.03 0.020

В третьей главе описывается математическая модель процесса извлечения масла.

Уравнения для несжимаемой среды в декартовой системе координат имеют вид:

(1)

дх ду дт

рГ^+о^-н, (2)

^ й * дх у ду г дг ] дх у дх ду дг )

(до ди до ди ) до (дт дт дх Л . р —-Н)х—;-+иу—-=---+ —— + — +— +Рё ; (3) дх ду дт. ) ду ^ дх ду дг )

^ Л * дх у ду дг ^ ду дг ) ъ

Так как рассматривается несжимаемая неньютоновская жидкость, для которой V • и = 0, то компоненты тензора напряжений с учетом его симметрии будут равны:

ди

У .

ду

; та=та=тн>

до дох

—-л---

кдх ду ,

дх дх ди2 | диу ду дг

В силу того, что рассматривается ламинарное течение среды, то приближенно можно положить однонаправленность движения на всем протяжении шнекового канала. Это дает их =0, а

из уравнения неразрывности следует, что ^-=0, т.е. \)2=и2.(х, 1).

дг

Таким образом, решение задачи имеет следующий вид:

К(Л>

п (ёР 1 + п[сК

І -1-П Ліга

[Х-Х')~-Х' "

, при ОйХйХ;

(4)

, приХ

Найдем среднюю скорость движения в шнековом канале

как:

1+2«

(5)

1 + п{сіг!

1 + Зя 1 + 2«

(1-Х)-1

Таким образом, уравнения (4) и (5) образуют систему для определения ёР/сК и X*, после нахождения которых можно найти давление в конце канала шнека перед зоной фильтрации:

Р = Р(0) + С„2, (6)

ар

с =— '

Была также разработана математическая модель фильтра-

ции. По кривой коэффициента оттока в зависимости от давления в конце шнекового канала выбирается соответствующее значение доли масла в потоке, которая и будет являться начальной концентрацией масла на входе в зону фильтрации С0.

Масса масла, поступившего в него за время dx через площадь поперечного сечения шнекового канала S есть:

m(z) = vC(z)Sdr, (7)

масса масла, вышедшего из него с потоком:

m{z+dz) = vC(z+dz)Sdr, (8)

масса масла, покинувшая зону фильтрации:

Щф(г) = kC(z)dz Idr. (9)

Запишем балансовое уравнение для элементарного объема в дифференциальной форме:

m(z + dz) - m(z) = пгф (z) . (10)

Подставим (7)-(9) в (10), получим:

DC(z)Sdr - DC(z+dz)Sdt = kC(z)dz • Мт

или, т. к.

dz

то

dz S

но S = h l и поэтому в окончательном виде модель будет иметь вид:

dCjz

dz vh К h (11)

С(0) = с0.

Решение (11) таково:

C(z) = C0ex р(-4|) и п

или в безразмерном виде:

C(Z) = exp(-KZ). Найдем безразмерную массовую концентрацию масла на

выходе из зоны фильтрации, если ее длина

С{Ьф ) = екр{-КЬф ),

тогда концентрация отфильтрованного масла:

Сф=\-С(1ф).

В результате численного решение системы получено:

X* = 0,4085; dPldZ = 12,592. Считая, что безразмерным атмосферным давлением Р(0) можно пренебречь, получим:

P = CpZ,

где С -dP / dZ, тогда Р = , откуда

Ш

Р = W*CpXZ = 0,0343 • 106 • 1 • 12,592 • 2,386 = 1030526Яа = \,0ЪМПа.

По графику для коэффициента оттока масла (рис. 4) определяем массовую долю, равную 0,85, что в пересчете на концентрацию дает значение на входе: с0 = рр = 0,85 • 384 = 326,4 кг/м3.

Длина зоны фильтрации составляет

Ьф =100-10'3л<;

тогда число витков равно т = Ьф!Н-100-10~3 /25• 1<Г3 = 4, тогда

Определил! среднюю безразмерную концентрацию отфильтрованного масла в зоне фильтрации. Так как C#(Z) = l-exp(-*Z),

то

— 2* 1 Сф = J [l-exp(-KZ)]¿Z = Z^ --[l-exp(-кгф)], о *

Рис. 4. График зависимости коэффициента оттока от давления создаваемого внутри зеерной камеры масло пресса

1 = тг1 =4 0,221 = 0,884л<.

где 2ф =//Л.

Массовый расход масла на выходе: С-КсйСф5ф,

где Бф = /• 77 = 0,884-25-Ю-3 = 0,0221л<2, т.е.

о=Кс08ф \гф ехр(~кгф)]}.

По экспериментальным данным О = 0,5-10"3/600-915 = = 7,625-Ю"4 кг/с. Верификация К дает К = 0,00013, откуда:

к = Ки = 0,00013 ■ 0,087 = 1,13 • 10"5л< / с, а это и есть скорость фильтрации.

В четвертой главе описываются исследования процесса получения растительных масел на одношнековом маслопрессе.

Одним из важных факторов влияющих на выход масла, а также на его качество является температура и давление внутри рабочей камеры маслопресса. На рис. 5 представлена зависимость распределения температуры и давления по длине рабочей камеры маслопресса, а также изменение плотности мезги при различных кольцевых зазорах для выхода жмыха.

Исследования проводили на мезге из смеси растительных масличных культур. Величина кольцевых зазоров составила 1,0; 1,5 и 2.0 мм. Частота вращения шнека для всех режимов исследования была принята постоянной и составила 6 с"1.

Анализ кривой распределения температуры по длине рабочей камеры маслопресса, характеризуется резким ее скачком, начиная с зоны сжатия материала до зеерной камеры. В зеерной камере температура продукта, остается почти постоянной.

В ходе экспериментальных исследований была установлена зависимость температуры в зеерной камере от частоты вращения шнека и кольцевого зазора в зеерной камере (определяет толщину лепестка жмыха) (рис. 6).

Наиболее оптимальными параметрами являются: кольцевой зазор зеерной камеры составляет: для горчицы - 0,5-0,7 мм; для рапса - 0,7-0,9 мм; для подсолнечника 0,6-1,0 мм; для расторопши 0,8-1,1 мм; оптимальная частота вращения шнека 5-7

с"1, при этом температура составляет 321-329 К и производительность является при данных параметрах максимальной.

Рис. 5. Кривые распределения давления, температуры и плотности мезги по длине рабочей камеры маслопресса при величине кольцевого зазора: 1-1 мм, 2 - 1,5 мм, 3 - 2,0 мм

я, %

Рис. 6. Номограмма для определения температуры в зависимости от частоты вращения шнека и кольцевого зазора в зеерной камере

—"—ГчрчИ'ШЧЯ «1"!(М

03 МЧ'-и их ржтнровюи —К—А1ci.il т с.неси масличных культур

450 1000 105011001150120012501100! 550 р. л'с.м

Рис. 7. Влияние плотности прессуемой мезги на ее масличность

Проведение процесса прессования с учетом кинетических закономерностей извлечения масла с учетом подпрессовки дает синергетический эффект, что в

З А і 6 X 9 ІП II 12

Время хрипения. ЛИЦ- .....—'

Рис. 8. Зависимость перекисного числа купажей масел от времени хранения

результате приводит к увеличению извлечения растительного масла, и положительно сказывается на сохранении качества жмыха. Для установления этих закономерностей были экспериментально определены следующие показатели: плотность прессуемого материала и его масличность (рис. 7).

В пятой главе проведены исследования комплексной оценки качества полученных купажей растительных масел по органолепти-ческим показателям, перекисному и кислотному числу.

Представлена технология производства купажей растительных масел методом холодного прессования. Определение перекисного числа является одним из наиболее широко применяемых химических методов испытаний для определения качества жиров и растительных масел (рис. 8).

Кислотное число, также как и перекисное, является показателем качества и безопасности растительных масел, поэтому оно строго регламентируется (рис. 9).

Скорость окисления масложировых продуктов зависит от количества двойных связей и их расположения, однако на устойчивость к окислению также влияет наличие природных или внесенных антиоксидантов.

В результате исследований была определена суммарная антиоксидантная активность для всех образцов купажей растительных масел. Исследование антиоксидантной активности полученных купажей растительных масел показало, что наибольшую антиоксидантную активность жирорастворимых веществ проявляет купаж № 3 и купаж № 4. Это объясняется тем, что в этих маслах

б 7 « О 10 II 12

Ярем» хранения, мее — .....

Рис. 9. Зависимость кислотного числа купажей масел от времени хранения

наибольшее содержание масла расторопши, которое содержит сильный антиоксидантный комплекс «силимарин».

В шестой главе приводится описание разработанных конструкций маслопресса (рис. 10), гранулятора, экструдера-маслоотделителя.

------£, =0%

----- .....

1А-Ц

Ц.-Ш**"- ' ;

1к^-З-Т*

I 1

11 ■ 8

I-

•Я«»-*.------

Рис. 11 . Эксергетическая диаграмма пинии производства смесей растительных масел холодным отжимом и получение гранулированного жмыха

Рис. 10. Маслопресс: ! - зубчатая передача; 2— боковой вал; 3 - центральный вал; 4 — счищающие лопасти; 5 - конический смеситель; 6

— дозаторы; 7 —загрузочный бункер; 8 - нож; 9 - камера измельчения; 10 — хомут; 1 1 — маслоотделитель-ная камера; 12 - зеерный корпус; 13

— греющая шайба; 14 — матрица; 15

- продольный канал; 16 — дорн; 17

- бункер; 18 - маслосборник; 19 -корпус

Разработана система автоматизированного проектирования САПР «Масло-пресс» для проектирования технологического оборудования и линий, а также для получения купажей растительных масел. Предлагаемая

конструкция маслопресса позволяет получать растительные масла и текстурированные жмыхи.

Проведен эксергетический анализ, позволивший определить оценку термодинамического совершенства теплотехнологической линии (рис. II ).

Основные выводы и результаты

1. Обоснован выбор рецептурного состава купажей для получения функциональных растительных масел с соотношением полиненасыщенных жирных кислот ш-6:со-3 = 10:1.

2. Обоснован характер изменения реологических характеристик полученных купажей растительных масел.

3. Исследованы основные закономерности процесса прессования масличных культур и выбраны рациональные параметры процесса их переработки, а именно частота вращения шнека (5-7 с"1), величина кольцевого зазора (0,5-1,0 мм), величина зазора между зеерными пластинами (0,15-0,2 мм) на одношнековом маслопрессе.

4. Разработана математическая модель движения сырья в канале шнека, и модель фильтрации растительного масла через пластины зеерной камеры.

5. В ходе проведения энергетической оценки разработанной технологической линии посредством эксергетического анализа установлено, что она на 4,4 % выше, чем у подобной классической линии.

6. Разработана система автоматизированного проектирования САПР «Маслопресс» для проектирования технологического оборудования и линий, а также для получения купажей растительных масел.

7. Разработана линия для производства купажей из растительных масел полученных методом холодного прессования, а также для получения гранулированного жмыха обогащенного жировитаминными добавками.

8. Разработана конструкция маслопресса для получения растительных масел и текстуратов, разработана конструкция пресс-гранулятора для получения кормовых гранул и конструк-

ция экструдера-маслоотделителя для получения масла и экстру-датов.

9. Изготовлена установочная серия из 2-х единиц оборудования, проведена серия производственных испытаний разработанной конструкции маслопресса и аппарата для нанесения жи-ровитаминных добавок на ОАО «ВНИИКП», а также производственные испытания получения купажей растительных масел на ООО «Тигровый орех».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Василенко, В.Н. Термодинамическая оценка технологической линии по переработке масличного и зернобобового сырья [Текст] / В.Н. Василенко, Е.А. Татаренков, М.В. Копылов // Вестник ВГТА, 2011. — № 1.-С. 17-23.

2. Василенко, В.Н. Инновационная технология функциональных растительных масел [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов // Вестник ВГТА 2011. -№3. - С. 59-63.

3. Василенко, В.Н. Создание САПР «Маслопресс» [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов, A.B. Накрайникова // Вестник Машиностроения, 2012. -№ 2. - С. 35-36.

4. Фролова, JI.H. Ресурсосберегающая технология переработки масличных культур с повышенным сроком хранения [Текст] / JI.H. Фролова, В.Н. Василенко, М.В. Копылов, Е.В. Рыжкова // Хранение и переработка зерна, 2011. - № 10. - С. 61-63.

5. Василенко, В.Н. Исследование масличных культур методом термогравиметрического анализа [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов, JI.H. Фролова // Хранение и переработка зерна, 2012. — № 2. — С. 61-62.

6. Василенко, В.Н. Исследование кинетических закономерностей процесса извлечения растительных масел в шнековом маслопрессе [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов // Вестник ВГУИТ, 2012. -№ 1. -С. 10-12.

7. Василенко, В.Н. Исследование антиоксидантной активности растительных масел функционального назначения [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов, A.C. Кривова // Актуальная биотехнология, 2012. - № 2 (2). - С. 28-29.

8. Копылов, М.В. Совершенствование процесса холодного маслопрессования при получении купажированных растительных масел

[Текст] / М.В. Копылов // Известия вузов. Пищевая технология, 2013. -№ 1. — С. 87-89.

9. Василенко, В.Н. Эксергетический анализ технологии холодного отжима растительного масла с получением гранулированного жмыха [Текст] / В.Н. Василенко, М.В. Копылов, Ю.В. Таркаев // Вестник ВГУИТ, 2013. -Na 1. - С. 30-37.

10. Пат. 2422274 Российская Федерация, МПК С1 В 29 С 47/12, А 23 Р 1/12. Экструдер [Текст] / Остриков А.Н., Копылов М.В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. - № 2009146252/05; заявл. 14.12.2009; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18.

11. Пат. 2426464 Российская Федерация, МПК С1 А 23 Р 1/12. Линия по переработке маслосодержащего и зернобобового сырья [Текст] / Остриков А.Н., Василенко Л.И., Татаренков Е.А., Копылов М.В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. - №2010110892/13; заявл. 22.03.2010; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23.

12. Пат. 2430147 Российская Федерация, МПК С1 С 11 В 1/06. Пресс для получения масла и текстурированных жмыхов [Текст] / Остриков А.Н., Василенко Л.И., Копылов М.В., Татаренков Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. - №2010116304/13; заявл. 23.04.2010; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.

13. Пат. № 2475167 Российская Федерация, МПК С1 А 23 N 17/00. Пресс-гранулятор [Текст] / Остриков А.Н., Василенко В.Н., Копылов М.В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. - № 2011126843/13; заявл. 29.06.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

14. Свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011611897 Информационно-образовательная программа «Маслопресс» [Текст] / Остриков А.Н., Василенко Л.И., Копылов М.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2011610033; заявл. 11.01.2011; зарегистр. 28.02.2011.

15. Остриков, А.Н. Современное состояние и основные направления совершенствования маслопрессов. Информационный обзор [Текст] / А.Н. Остриков, Л.И. Василенко, М.В. Копылов. - Воронеж ГОУВПО Воронеж, гос. технол. акад, 2011. - 62 с.

\л

Условные обозначения

1, х, у, г - текущее время и локальные декартовы координаты; а)х,1)у,и2 - компоненты вектора скорости и; , , - проекции вектора ускорения силы тяжести на оси декартовой системы координат; та р - компоненты тензора напряжений т (а=хУуУг, р = хУуУг);

/>(0) - безразмерное давление на входе в шнековый канал; к — коэффициент фильтрации; / — ширина шнекового канала

Подписано в печать 29.04.2013 г. Формат 60x84 '/¡6. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 97. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ВГУИТ) Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес академии и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

КОПЫЛОВ Максим Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ПРЕССОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР С ПОСЛЕДУЮЩИМ

КУПАЖИРОВАНИЕМ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

На правах рукописи

04201360542

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент В.Н. Василенко

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

Г л а в а 1 Анализ современного состояния теории, техники и технологии получения масла «холодным прессованием».. 15

1.1 Основы теории и обзор техники и технологий производства растительных масел......................................................................................15

1.2 Выбор растительного сырья для получения купажей масел. 39

1.3 Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в маслопрессе................................................................42

1.4 Анализ литературного обзора и задачи исследования..............47

Г л а в а 2 Анализ объекта исследования - купажей масел из рас-

торопши, рапса, горчицы и подсолнечника................................50

2.1 Оптимизация состава купажей масел........................................................50

2.2 Химический и жирнокислотный состав купажей из растительных масел..................................................................................................................53

2.3 Физико-механические и химические свойства сырья..................54

2.4 Исследование реологических характеристик растительных масел..........................................................................................................................................56

2.5 Определение реологических параметров мятки масличных культур....................................................................................................................................59

Г л а в а 3 Математическое моделирование................................................................63

3.1 Модель процесса отжима....................................................................................63

3.2 Математическая модель движения сырья в канале шнека... 65

3.3 Математическая модель фильтрации..........................................................72

3.4 Исходные данные для вычислительных экспериментов...... 73

Г л а в а 4 Экспериментальные исследования процесса получения купажей растительных масел методом холодного прессования................................................................. 77

4.1 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента............................................................... 77

4.2 Кинетика процесса получения купажей растительных масел методом холодного прессования............................. 83

Г л а в а 5 Технология производства и комплексная оценка качества купажей масел................................................. 92

5.1 Технология производства купажей масел методом холодного прессования...................................................... 92

5.2 Определение показателей порчи купажированных масел 94

5.3 Исследование антиоксидантной активности полученных купажей растительных масел..................................... 97

5.4 Определение показателя преломления купажированных масел..................................................................... 110

5.5 Органолептические показатели исходных растительных масел и купажей полученных из них........................... 102

5.5.1 Определение вкуса купажей из растительных масел........ 102

5.5.2 Определение цвета купажей из растительных масел....... 103

5.5.3 Определение прозрачности купажей из растительных масел........................................................................ 103

5.5.4 Определение запаха купажей из растительных масел....... 104

5.6 Показатели безопасности купажей из растительных масел 105

Г л а в а 6 Разработка новых конструкций маслопрессов и оборудования для производства купажей растительных масел........................................................................ 106

6.1 Эксергетический анализ процесса производства растительных масел холодным отжимом и получение гранулированного жмыха..................................................... 106

6.2 Разработка системы проектирования конструкции масло-пресса.................................................................... 112

6.3 Пресс для получения масла и текстурированных жмыхов... 120

6.4 Экструдер-маслоотделитель........................................ 122

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ....................................... 126

ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 128

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................... 143

Введение

Согласно стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации, пищевая а также перерабатывающая промышленность сохраняет свои лидирующие позиции в структуре промышленного производства России, занимая при этом долю в 11,5 %, и наравне с топливной промышленностью и металлургическим производством входит в число лидеров по выпуску промышленной продукции. Индекс производства продуктов питания в 2000-2007 гг. составил в среднем 106-107 %, а за 2010 год -105,4%.

На сегодняшний день одной из наиболее важных отраслей пищевой промышленности России является масложировое производство. По данным РОССТАТа ее доля в 2012 году занимала 5,3 % всего объема продукции, основные производственные фонды составили чуть выше 4 %, а промышленный персонал - 5 %. При этом, она является поставщиком жировой продукции целевого назначения для молочного, кондитерского, хлебопекарного, консервного производства.

Производство растительных масел в Российской Федерации осуществляли более 200 предприятий, которые в 2010 году выработали около 3035 тыс. тонн растительных масел.

Мощность российских маслодобывающих организаций по переработке масличных культур составляет 9,3 млн. тонн в год.

Основным спросом на рынке растительных масел пользуется подсолнечное масло. В 2005 году доля этого сегмента возросла на 2,2 % и составила при этом 86 % рынка (таблица 1). Второе место по потреблению занимает кукурузное масло, составляющая 4,8 % рынка производства. Доля этого вида масла также показывает положительную динамику роста, хотя по цене оно более дорогое, чем подсолнечное. Сегмент производства оливкового масла по объему занимает 0,6 % рынка. Все виды оливковых масел, представленные на

российском рынке, импортируемые из стран ближнего и дальнего зарубежья относится к классу премиум, при этом средняя цена за 1 литр составляет около 250 - 270 рублей. На все другие виды растительных масел (рапсового, пальмового, соевого, арахисового, льняного и т. д.) приходится около 8,5 % рынка. В денежном эквиваленте в 2006 г. емкость масложирового рынка составляет 2,5 млрд. рублей. Разработанный вид продукции может занять на рынке одно из ведущих мест, т. к. оно может использоваться не только как продукт питания, но и продукт лечебно-профилактического действия [68].

Проведенный анализ рынка масложировой продукции показал, что в данном секторе за незначительный промежуток времени удалось провести глобальное техническое переоснащение организаций на основе инновационных технологий и современного оборудования, разнообразить производство и вырабатывать конкурентоспособную продукцию [100]. Основным доказательством этого является экспорт готовой продукции в страны ближнего и дальнего зарубежья.

Таблица 1

Структура потребления растительных масел, %

Масло Россия Европейский союз ПИЛ

1995 г. 2005 г. 2005 г. 2005 г.

Подсолнечное 24.0 86 20.3 2,4

Льняное 48,0 - - -

Соевое - 3,7 18,9 26,8

Рапсовое 9,0 7,5 43,2 5,6

Оливковое - 0,6 17,5 8,32

Конопляное 18,5 - - -

Кукурузное - 4,8 - 45.9

Хлопковое - - - -

Пальмовое - - - 0,86

Пальмоядровое - - - 5.19

Кокосовое - - 15.4

Арахисовое - - 2,7

Наиболее крупными компаниями в Российской Федерации по производству растительных масел являются «Bunge Ltd.», ЗАО АПИК «Эфко», ОАО «Валуйский комбинат растительных масел», ОАО «Краснодарский МЖК», а

также АПГ «Юг Руси». На долю этих производителей приходится около 52,5 % рынка отечественного растительного масла. При этом 80-90 % объема продаж в каждой из этих компаний обеспечивается одной основной маркой. У ОАО «Валуйский комбинат растительных масел» этим брендом является марка «Милора», у ОАО «Краснодарский МЖК» - марка «Аведов», а у компании «Bunge» 2 основные марки: «Олейна» и «Ideal». В России в каждом регионе кроме крупных компаний существуют и занимают не последнее место по объемам продаж местные региональные компании. Например, такая компания МЭЗ «Рабочий» (бренд «Отменное») или в южных регионах компания «Sigma» (марка «Корона изобилия»). На Урале компания «Aceitera General Dehera» (бренд Natura) [68]. Динамика производства масложировой продукции всех предприятий России по годам представлена на рис. 1.

5000 4500

4000

3500 3000

у-

У 2500 -О t—

2000 1500 1000 500 0

Рис. 1. Производство продукции масложировой промышленности России (по данным Рос-

стата)

Раскрытие функций ПЖНК омега-3, необходимость определенного соотношения омега-З/омега-6 ПНЖК изменили представление о безусловной пользе всех ПНЖК и оценке их полезного содержания в растительных маслах, используемых в питании [64].

2270 2284~вН

1259 1294

I I I I

I I 1| I I I I I I

1997

1999

2001

2003

2005

2007

2009

В агропромышленном комплексе России масложировая отрасль пищевой промышленности занимает ведущее место. Предприятия отрасли, перерабатывающие семена масличных культур, производят растительное масло и жировые продукты пищевого, технического и кормового назначения, в том числе и стратегического, в связи с этим состояние масложировой отрасли определяет развитие не только отечественного агропромышленного комплекса, но и целого ряда отраслей промышленности [57].

С 1999 г. импорт растительных масел значительно сократился, при этом доля потребления отечественного растительного масла начала расти. Увеличение объемов производства масложировой продукции и растительных масел в 2000-2008 гг. позволило в полной мере обеспечить потребности россиян в этой важной группе пищевых продуктов (табл. 2).

Таблица 2

Потребление растительного масла на душу населения (килограммов в год)

Потребление растительного масла

1990 1995 200 0 200 5 2006 2007 Место, занимаемое в Российской Федерации в 2007

Российская Федерация 10,2 7,5 9,9 12,2 12,6 12,8

Центральный федеральный округ 10,3 7,7 9,8 12,4 12,9 13,4 1

Белгородская обл. 10,3 9,8 11,0 12,8 13,0 13.6 19

Брянская обл. 9,2 5,8 7.3 9.6 10.6 11.1 46

Владимирская обл. 10,1 7,8 9,8 10,9 11,2 11,6 43

Воронежская обл. 14,0 10,9 П,1 12,0 12,2 12,2 35

Ивановская обл. 13,4 8,1 12,6 12,0 12,0 12,0 39

Калужская обл. 7,1 5,1 6,0 9,6 10,4 10,5 54

Костромская обл. 12,6 7,0 7,5 8,4 8,5 8,4 74

Курская обл. 10.5 6,3 8,3 9,2 9,9 9,9 63

Липецкая обл. 10,4 7,1 9,7 12,0 11,6 11,8 41

Московская обл. 8,1 7,8 10,7 12,0 12,3 12,8 28

Орловская обл. 8,7 5,4 7,2 8,9 8,6 8,5 73

Рязанская обл. 9,8 5,4 7,7 9.4 9.7 10,5 55

Смоленская обл. 9,1 6,7 7,8 10,1 10,5 10,5 56

Тамбовская обл. 10,8 7,3 11,3 12,9 13.0 12.8 2

Тверская обл. 9,9 7,2 10,1 11,9 12,2 12,9 27

Тульская обл. 10,1 6,9 8,0 10,1 10.8 10,8 51

Ярославская обл. п,з 7,6 8,3 11,2 12,2 12,8 30

г. Москва 11.1 8,2 10,7 15.6 16.2 17.3 -> J

Потребление масложировых продуктов в России в 2008 г. приблизилось к уровню потребления этих продуктов в высокоразвитых странах (в США) и составило 22,27 кг, а потребление растительных масел 17,3 литров [60].

Все растительные масла благодаря наличию жирных кислот, отсутствию холестерина обладают способностью снижать риск возникновения сердечнососудистых заболеваний [121, 132]. На свойства масла и его способность сохранять свои ценные качества влияет множество факторов, в частности, входящие в его состав биологически активные компоненты. Постоянно расширяющийся ассортимент растительных масел в питании, связанный с успехами масложировой промышленности и возможностью импортирования отдельных видов, позволяет обогащать рацион современного человека природными источниками незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, токоферолов, каротиноидов, сквалена, фосфолипидов [85].

Разработка идеологии и технологии получения и применения купажей растительных масел [133] позволила создать семейство эмульсионных жировых продуктов функционального назначения [35] с улучшенным жирнокис-лотным составом (рис. 2).

Рис. 2. Области применения купажированных масел

В настоящее время большая часть вторичных ресурсов, образующихся в результате промышленной переработки масличного сырья, не исполь-

зуется эффективно. Обычно все это идет в отвалы или сбрасывается в водоемы, что наносит природе значительный экологический ущерб [43]. Поэтому необходимо обратить особое внимание на повышение эффективности использования отходов пищевых и перерабатывающих предприятий для производства энергоресурсов и вторичных ресурсов, что значительно обеспечит увеличение эффективности производства, а также снизит вредное воздействие предприятий на окружающую среду. К 2020 году планируется: увеличение производства жмыхов и шротов масличных культур всех видов до 5,6 млн. тонн.

Программа реализации на ближайшее время (2013-2016 годы) рассматривает в Южном и Приволжском федеральных округах строительство 2 новых маслодобывающих предприятий общей производственной мощностью 3 тыс. тонн переработки масличных семян в сутки, а также перевооружение 12 действующих маслодобывающих организаций. Увеличение производства маслодобывающих заводов обеспечивается значительным ростом сырьевой базы за счет дополнительного увеличения производства сои, кукурузы, рапса, льна, рыжика. Изменение производственных мощностей позволит значительно расширить ассортимент вырабатываемой мас-ложировой продукции для населения, а также увеличить объемы производства растительного белка для создания кормовой базы животноводства.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» на 2011-2015 гг. «Разработка новых и совершенствование энергосберегающих технологических процессов и аппаратов в химических и пищевых производствах» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).

Научная новизна. Изучены основные реологические характеристики исследуемых растительных масел.

Получены кинетические закономерности изменения основных технологических параметров маслопресса в зависимости от величины кольцево-

го зазора, зазора между пластинами в зеерной камере, геометрических характеристик шнека, частоты вращения шнека и исходных характеристик сырья.

Разработана математическая модель, описывающая движение масличного сырья в рабочей камере маслопресса, а также процесс извлечения масла из масличных культур.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2422274, 2430147, 2450924, 2475167.

Практическая ценность. Разработан способ получения купажей из растительных масел из горчицы, рапса, расторопши и подсолнечника. Определены оптимальные параметры процесса отжима растительных масел методом холодного прессования. Получены купажи растительных масел с оптимальным соотношением полиненасыщенных жирных кислот, которые являются незаменимыми для организма человека.

Разработана система автоматизированного проектирования САПР «Маслопресс» предназначенная для расчета конструктивных параметров маслопрессов, составления смесей из растительных масел и проектирования технологических линий получения растительных масел.

Разработана оригинальная конструкция маслопресса позволяющая получать пищевые растительные масла и текстурированные жмыхи для корма животных; конструкция гранулятора для получения кормовых гранул из отходов после отжима растительного масла.

Разработан бизнес-план «Создание мобильных установок и технологий для переработки масличных культур», который прошел независимую экспертизу в общероссийской общественной организации «Российское общество оценщиков», per. № 003828, где получил положительную оценку.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном

университете инженерных технологий (2010-2012 гг.), Екатеринбурге (2012 г.), Новочеркасске (2011 г.), Астане (2012 г.), Ставрополе (2011 г.), Москве (2011-2012 гг.), Белгороде (2011 г.), Краснодаре (2012 г.), Махачкале (2010 г.).

Результаты работы демонстрировались на 5-ти выставках: III Воронежском агропромышленном форуме «За повышение эффективности комплексной переработки масличных культур в условиях ЦЧР» (1-3 ноября 2011 г., г. Воронеж); V Воронежском промышленном форуме «За получение функциональных растительных маслопродуктов холодного отжима» (21-22 марта 2012 г., г. Воронеж); Воронежском агропромышленном форуме «За разработку ресурсосберегающей технологии комплексной переработки маслосодержащего сырья» (10-12 ноября 2010 г., г. Воронеж); 29-я межрегиональная специализированная выставка «Пищевая индустрия» «За разработку композиций растительных масел лечебно-профилактического назначения» (5-7 декабря 2012 г., г. Воронеж); Всемирном экономическом форуме молодежи «Место и роль молодежи в модернизации экономики», проходившем под эгидой V Астанинского экономического форума (22-24 мая 2012 г., г. Астана).

Соискатель является лауреатом следующих конкурсов: «Золотой лев-2010» (диплом победителя II степени в номинации «Наука и техника» за разработку высокоэффективной технологии зерновых продуктов с программируемыми свойствами) (2010 г., г. Воронеж); «Eurasia Green» (диплом победителя за 4 место в номинации «Отходы в доходы») (2012 г., г. Екатеринбург); областной конкурс на лучшую научную работу (диплом победителя - 3 место «За разраб