автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса насыщения кондитерских масс рецептурными добавками

Г» " Г* ^

1 I 0 ' ' . » . .

На правах рукописи

ДАВБЕР Сергей Борисович

УДК: 664.143.4.022.3 (043.3)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ КОНДИТЕРСКИХ МАСС РЕЦЕПТУРНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность: 05.18.12-процессы,машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.А. Мачихин

На правах рукописи

ДАВБЕР Сергей Борисович

УДК: 664.143.4.022.3(043.3)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ КОНДИТЕРСКИХ МАСС РЕЦЕПТУРНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность: 05.18.12-процессы,машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.А. Мачихин

Работа выполнена на кафедра "Теория механизмов, машин и роботов" Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промшлоннооти и на Московской кондитерской фабрике им. H.A. Бабаева

Научный руководитель - доктор технический наук,

профессор С.А. Мачихин

Официальные оппоненты - Доктор технических наук,

доц. Лунин Д.Н.

кандидат технических наук, доц. Вельтищев В.Н.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт кондитерской промышленности

Защита диссертации состоится 1994 г.

на заседании Специализированного Совета К.063.51.07 Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. II.

С диссертацией можйо ознакомиться в информационно-техническом центре МЗШ1Г1.

Отзыв и автореферат в двух экземплярах, заверенных печать» учреждения, просим направлять ■ Ученый Совет института.

Автореферат разослан "4Ч-" ^и-Оау+К 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

И.М. Савина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Кондитерская промышленность призвана удовлетворить потребности населения в высококачественных и разнообразных продуктах питания. Усилия направлены на повышение пищевой и биологической ценности изделий,создание легко переналаживаемых непрерывно-поточных линий, выпуск продукции в удобном для потребителя и торговли виде с повышенными сроками хранения.

От точности дозирования компонентов изделий зависит соблюдение установленной рецептуры,а .следовательно, качество изделий.

Зачастую рецептура требует осуществления дозированной подачи веществ,находящихся в разном фазовом состоянии: жидкость и сыпучее тело. Известны дозаторы,одновременно подающие два разнофазовых вещества. Однако перед конструкторами встала задача создания дозатора-смесителя, способного осуществлять подачу смеси распределенно по плоскости.

По объему производства среди кондитерских изделий производство карамели занимает одно из первых мест.

В процессе производства карамельной "массы в результате воздействия различных факторов на исходную рецептурную смесь происходят физико-химические изменения Сахаров,составляющих эту смесь. При этом повышается цветность карамельной

-г -

массы, увеличивается содержание в ней редуцирующих веществ. Это приводит к ухудшению внешнего вида карамели, снижению ее стойкости при хранении.

Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на качество карамели, являетоя кислотность карамели. В связи о этим дозированию лимонной кислоты, как вкуоовой добавки, на кондитероких предприятиях уделяют особое внимание, а одним из главных показателей качества готовой карамели является ее кислотность.

Существующее оборудование и способы подкиоления карамельной массы в достаточной отепени удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям только при производстве тянутых сортов карамели. При производстве леденцовой (нетянутой) карамели проблема осложняется тем, что внеоение вкусовых (кислоты) и ароматических (эссенции) добавок необходимо проводить на заключительном этапе приготовления карамельной массы, т.е. в процессе ее охлаждения. Поэтому разработка оборудования, позволяющего, осуществлять подачу двухкомпонентной омеои распределено по шюокооти, являетоя актуальной задачей, .решение которой позволит избежать дополнительного механического воздействия на карамельную масоу, механизировать процеоо дозирования, существенно улучшить качеатво готовой карамели.

Цель и запачи исследования. Цель диосертационйой работы:

- повышение качества продукции путем использования оборудования для перемешивания и равномерного внеоения рецептурных добавок в кондитерские масоы, в чаотнооти в кара-

мельную массу.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

- провести анализ факторов, влияющих на качество карамели;

- проанализировать существующие конструкции машин непрерывного действия для дозирования компонентов кондитерских изделий;

- используя теоретические предпосылки вибрационного перемещения сыпучих тел по сплошной опорной поверхности, покрытой материалами с различными адгезионными свойствами, оценить влияние адгезии на перемещение сыпучих тел;

- обосновать основные условия процесса и свойства материала поверхности дна вибродозатора для повышения точности дозирования сыпучих материалов вибрационным способом;

- обосновать геометрические параметры установки для дозирования жидкого и сыпучего компонентов;

- создать опытную установку для исследования процесса вибродозирования сыпучего вещества с высокими адгезионными свойствами в зависимости от свойств материала поверхности вибродна и параметров процесса;

- создать программу - методику расчета дозаторов - смесителей жидких и сыпучих компонентов;

- выявить зависимость качества готовой продукции от точности дозирования рецептурных компонентов на примере дозирования эссенции и лимонной кислоты для линии производства нетянутой карамели;

- оценить экономический эффект от внедрения дозатора

эсоенции и лимонной кислоты для линии производства нетянутой карамели.

Научная ровязна рдбдты. Найдены новые решения повышения точности дозирования сыпучих вещеотв о выоокой степенью адгезии путем применения рациональных режимов вибровоздействия и использования новых антиадгезионных материалов. Предложено в целях повышения точности вибродозирования через щелевое выпускное отверстие угол наклона виб-родна принимать немногим больше угла трения материала по его поверхности. Установлен и экспериментально подтвержден характер зависимости между значениями безразмерных, параметров г+ и и точностью вибродозирования.

На основании проведенных исследований предложено внутренний поверхности бункеров для хранения оыпучих вещеотв и поверхность дна вибродозатора покрывать токопроводящим полиэтиленом , армированным углеродным волокном , марки УПЭ-6/20.

Драктическая ценнооть работы заключается в следующем:

- разработан способ дозирования оыпучего и жидкого компонентов на непрерывно движущийся плаот (положительное решение ШЖГПЭ на выдачу патента Российской Федерации от. 25.02.93г. по заявке й 92 - 008957/13 (055126) от

02.12.92г.) ;

- разработана и иопытана в производственных условиях экспериментальная уотановка по дозированию двухфазной смеои: жидкооть - сыпучее тело;

- разработана методика расчета дозаторов - смесителей жидких и сыпучих компонентов;

- даны практические рекомендации по использовании токопроводящего полимера марки УПЭ-6/20 в качестве антиадгезионного покрытия внутренних поверхностей бункеров для хранения и вибродозирования сыпучих материалов;

- создана программа по расчету дозаторов - смеоителей жидких и сыпучих компонентов на ЭВМ;

- дан конструктивный расчет дозатора и показана эффективность его работы на примере дозатора эссенции в лимонной кислоты линии по производству нетянутой карамели.

Публикаилр. По теме диосертации опубликовано 3 печатных работы и получено положительное решение на выдачу патента Роооийокой федерации.

Структура р объем диосетэтаиир. Диосертация состоит из введения, четырех глав, выводов , описка литературы и приложений. Работа изложена на 137 "страницах машинописного текота, оодержит 26 рисунков, II таблиц. Спиоок литературы включает 52 наименования. Пр-ложения к диссертации представлены на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснованы актуальность работы - необходимость совершенствования процесса дозирования жидких и сыпучих компонентов кондитерских изделий, дана краткая

характеристика работы , показана новизна и практическая ценность диссертации.

р первой главе представлен обзор литературы, где дано описание современных способов приготовления карамели и представлены материалы научных исследований факторов, влияющих на физико-химические изменения углеводов при приготовлении карамельной массы. На основании проведенного анализа сделан вывод о том,что обработку карамельной массы нужно проводить в возможно более короткое время, сведя до минимума механическое воздействие, а подкисление карамельной массы производить при температуре последней не выше 95°С , не создавая центров с повышенной кислотностью. Известные способы приготовления нетянутой карамельной массы не отвечают данным требованиям.

Проведенный анализ оборудования непрерывного действия для дозирования и перемешивания компонентов кондитерских изделий, подаваемых в малых количествах, показал, что ни один из существующих дозаторов - смесителей не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Рассмотренное далее влияние вибрационного воздействия на перемещение сыпучего материала и возможное при этом решение проблем адгезионного взаимодействия , делает возможным создание дозатора - смесителя жидкого и сыпучего компонентов, позволяющего распределять дозируемую смесь по поверхности с' достаточной точностью, что позволяет использовать его как дозатор эссенции и лимонной кислоты для линии по производству карамели.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки к описанию процесса перемещения частицы материала без подбрасывания при прямолинейных гармонических колебаниях опорной плоскости , даны основные положения теории подачи вязких жидкостей горизонтальными частично утопленными цилиндрами и представлена методика расчета дозаторов -смесителей жидкого и сыпучего компонентов.

Цри проектировании вибродозирующего устройства для достижения необходимой точности дозирования необходимо уменьшить влияние сил адгезии на процесо перемещения сыпучего материала по поверхности вибролотка. С этой целью предложено угол наклона вибродна емкости выбирать несколько больше угла трения дозируемого вещества по материалу вибродна.

Уравнение относительного движения частицы для этого случая примет вид:

а безразмерные параметры ЗГ+. и .характеризующие

установившееся движение чаотицы по плоскости имеют вид:

где: гл - амплитуда колебаний , м

СО ,, чаотота колебаний , с"4 •

4 - время , с;

где ^ - ускорение свободного падения^

X - угол наклона плоскости к горизонту,град; - угол трения дозируемого материала по материалу плоскости,град.

Принимая наиболее благоприятным режимом вибровоздей-ствие.т е значения 2 и >ПРИ которых изменения

незначительны и соответствуют минимальным Д и СО , отметим, что 2 должны быть равны двум.

Третья глава посйящена экспериментальным исследованиям.

Для определения коэффициентов трения массы сыпучего тела по поверхности как количественной характеристики адгезии в соответствии с двучленным законом трения Б.В. Дерягина, использовали метод В.В. Гортинокого для определения коэффициентов сопротивления сдвигу сыпучего тела при скольжении его по опорной поверхности.

На рис. I представлены зависимости средних коэффициентов сопротивления сдвигу слоев при различной общей толщине сыпучего тела. На основе анализа полученных результатов установлено,что увеличение толщины олоя практически не влияет на величину коэффициентов сопротивления сдвигу нижнего слоя. Эти величины изменяются относительно среднего значения в пределах ± 1,5 % и с точностью, достаточной для инженерных расчетов , можно определять коэффициенты сопротивления сдвигу нижнего олоя, не учитывая высоту сыпучего тела.

* -

0,46

0.15

о,«

ц V л- А

/ с / / /

3 У р Ц У / <

У у / У \1

У

0,5 4,0

Рис. I. Зависимость приведенного коэффициента трения по слоям при различной толщине слоя

1. Н = II ш 3. Н = 32 мм

2. Н = 22 мм 4. Н = 42 мм

103 90 ВО ТО 60 50 (,0

70

10

'——-л

V

ч \

\

— •----

--Л- Л

г,о

Рис. 2. Влияние дисперности кислоты на точность дозирования в - цержавеющая сталь — частицы 01,6мм и менее Д - фторопласт - 3 — частицы¿1,6+1,8мм

Исследование влияния времени контакта лимонной кислоты с поверхностями , выполненными из различных материалов показало , что увеличение времени контакта частиц лимонной кислоты о поверхностью ведет к незначительному , но увеличению коэффициентов сопротивления сдвигу , а при превышении определенного значения-к адгезионному прилипанию частиц к поверхности. Рекомендовано внутренние поверхности емкостей для хранения сыпучего материала покрывать материалами с меньшим коэффициентом трения и, следовательно, лучшими антиадгезионными свойствами, а также стремиться сократить время контакта между сыпучим материалом и конструкцией.

Изучение вибродозирования лимонной кислоты через ще-левидное выпускное отверстие проводилось на установке,представляющей собой бункер , дно которого совершает прямолинейные колебания под углом 30° к горизонту. Подача лимонной кислоты через щелевое выпускное отверстие регулировалась заслонкой , перемещение которой фиксировалось.

На рис. 2 показано влияние дисперсности 'кислоты на точность дозирования при применении для покрытия вибродна материалов с различными коэффициентами трения.

Как видно из графиков , наивысшая точность дозирования

«

лимонной кислоты размерами частиц 1,6 + 1,8 мм достигается при применении для поверхности вибродна фторопласта - 3, что связано с его меньшим коэффициентом трения , по сравнению с нержавеющей сталью. Однако при дозировании лимонной кислоты размерами частиц до 1,6 мм картина резко меняется. Очевидно , что присутствие в дозируемой кислоте более мелких и пылевидных частиц приводит к накоплению статического

заряда на поверхности трущегося о массу лимонной кислоты

фторопласта. Это приводит к налипанию на его поверхности мелких частиц,что мешает проходу основной массы вещества. Это явление заметно ослабевает при увеличении выпускного отверстия.

Дальнейшие исследования показали,что применение токопро-водящих материалов,как покрытие дна вибролотка,и их заземление,делает возможным снятие накапливающегося статического электричества и позволяет проследить прямую зависимость между коэффициентом трения лимонной кислоты по материалу и точности дозирования, а также установить связь между точностью дозирования и величиной открытия заслонки.

Материалом.имеющим наименьший коэффициент трения и позволяющим снимать статичеокое напряжение является полиэтилен, армированный углеродным волокном, марки УПЭ-6/20,разработанный Всесоюзным научно-исследовательским институтом полимерных волокон. Материал прошел сертификацию на применение в пищевой промышленности, являетоя одной из пооледних разработок ВНИИПВ и рекомендуется нами для применения его в качеотве антиадгезионного токопроводящего покрытия поверхностей вибродозаторов и внутренних поверхностей для хранения сыпучих веществ.

Получены зависимости точности дозирования от частоты вибратора и величины открытия заслонки при применении в качество покрытия поверхности вибролотка материала УПЭ-6/20, позволяющие определить предпочтительные режимы вибродозирования.

Для исследования износостойкости материалов в условиях трения окольжения применяли установку для иопытания на изнашивание конструкции НИИ Автопрома. Изучалиоь материалы марок УПЭ-6/20 и УПА-6/20, отличающихся ооновой (полиэтилен и полиамид соответственно), а.следовательно .коэффициентами трения.

0,54

0,36 0,2?

0,48 0,09

О

^ 2 ^ Ч * в ^ Л

■<о и

500 <000 1500 2000

2500

Рис. 3. Зависимость "ИзносЬ- время Т -'Удельная нагрузка Р' для различных материалов О - УПЭ - 6/20 О - УПА - 5/20

Зависимость "износ Ь- время Т - удельная нагрузка Р' даны на рис. 3.

Полученные зависимости позволяют определить рабочую зону применения данных материалов и, учитывая незначительную разницу в несущей способности, рекомендовать к применению материал, обладающий более высокими антиадгезионными свойствами, а именн^ - УПЭ-6/20.

В четвертой главе представлено практическое применение результатов исследований.

На основе анализа результатов исследований разработан новый способ дозирования сыпучего и жидкого компонентов на непрерывно движущийся пласт, на который получено положительное решение ВНИИГПЭ на иьщачу патента Российской Федерации, а также разработан и изготовлен опытный образец дозатора-смесителя эссенции и лимонной кислоты для линии производства нетянутой карамели (схема работы дозатора-смесителя представлена на рис. 4)и дан его конструкционный расчет по пписанной в гл. Г1 методике.

Дозатор - смеситель работает следующим образом.

Сыпучее вещество засыпается в бункер 4 .снабженный вибродном 6 , совершающим возвратно-поступательные движения в плоскости под углом Л к горизонту. Виброцно приводится в движение от вала 5 , снабженного эксцентриком. Подача сыпучего материала осуществляется через выпускную щель , размер которой устанавливается в зависимости от заданной производительности и наибольшего размера частиц дозируемого вещества. Высота открытия заслонки 2 регулируется двумя винтами 3 , расположенными на передней плоскости емкости и имеющими шаг резьбы достаточный для изменения подачи сыпучего материала на требуемую величину. Внутренние плоскости емкости и вибродно покрыты токопроводящим полиэтиленом марки УПЭ-6/20.

Подаваемый слой сыпучего вещества ссыпается, на поверхность барабана 7 , вращающегося с постоянной угловой скоростью и окунающегося в емкость с жидкостью 8, находящуюся под ним. Скорость вращения • барабана рассчитывается из заданной производительности и его геометрических размеров , а также свойств дозируемой жидкости.

Полученная смесь сыпучего вещества и жидкости счищается с поверхности барабана при его вращении ножом I , закрепленным на передней стенке емкости с жидкостью.

Рис. 4.

Схема работы дозатора-смесителя жидкого и сыпучего компонентов.

Применение данного дозатора-смесителя в качестве дозатора эссенции и лимонной кислоты в линии производства нетянутой карамели позволило решить вопрос о распределении вкусовых и ароматических добавок в карамельном пласте без дополнительного перемешивания с учетом всех рекомендаций по обработке карамельной массы и снизить разброс кислотности в готовой карамели в четыре раза, что существенно сказывается на качестве карамели и сроках ее хранения.

Создана программа-методика по расчету дозаторов-смесителей жидких и сыпучих компонентов. Программа позволяет осуществить полный расчет геометрических и кинематических параметров дозатора путем запроса у оператора желаемых результатов, расчета геометрии рабочих органов дозатора и подбора производительности под заданное значение. При помощи программы был рассчитан дозатор эссенции и лимонной кислоты для линии производства карамели, который представлен на рис. 5.

Расчет экономической эффективности показывает целесообразность внедрения этого дозатора. Годовой экономический эффект от внедрения одного дозатора составляет 1373 тыс. рублей. При этом внедрение предложенного дозатора на предприятиях отрасли позволит механизировать процесс дозирования жидких и сыпучих рецептурных добавок, значительно улучшить качество карамели, увеличить срок ее хранения.

Общие выводы.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

I. Вносить кислоту необходимо при температуре карамельной массы не выше 95° С по возможности распределенно, не создавая центров с повышенной кислотностью, так как охлаждение и подкисление

Рис. 5. Дозатор эссенции и лимонной кислоты линии производства карамели

1 - нож;

2 - барабан;

3 - заслонка;

4 - емкость для сыпучего вещества;

5 - вибродно;

6 - емкость для.жидкого вещества.

карамельной массы необходимо проводить тал, чтобы уменьшить влияние на нее высоких температур и механического воздействия.

2. Из известных конструкций дозаторов непрерывного действия самым близким к предъявляемым требованиям является дозатор барабанного типа, на основе которого бьш создан дозатор-смеситель жидкого и. сыпучего- ¡компонентов комбинированного типа, в основу которого легли .два способа непрерывной подачи: жидкости - посредством снятия тонкой пленки последней с поверхности вращающегося частично утопленного цилиндра и сыпучего вещества - посредством вибродозирования через щелевидное выпускное отверстие.

З.Для повышения качества дозирования необходимо уменьшить соответствующие силы адгезии, возникающие при вибродозировании полидисперсных сухих веществ.

4. В результате экспериментального исследования качества вибродозирования лимонной кислоты через щелевидное выпускное отверстие установлено следующее:

а) значения коэффициентов сопротивления сдвигу нижнего слоя массы сыпучего вещества практически не зависят от толщины слоя;

б) наименьший коэффициент сопротивления сдвигу имеет полиэтилен, армированный углеродным волокном,марки УПЭ-6/20;

в) с увеличением времени контакта лимонной кислоты с поверхностью коэффициент сопротивления сдвигу постоянно возрастает, что соответствует увеличению адгезионного взаимодействия массы сыпучего тела и поверхности.

г) адгезионное взаимодействие частиц дозируемого вещества и поверхности вибродна оказывает значительное влияние на точность вибродозирования. Для уменьшения этого взаимодействия бьш выбран материал УПЭ-6/20, удельное объемное сопротивление которого позволяет снимать статическое электричество, накапливающееся на по-

верхности вибродна;

д) для повышения точности распределенного дозирования необходимо применять режимы вибровоздействия, обеспечивающие наименьшее время контакта вещества и поверхности вибродна, а также по возможности увеличивать высоту выпускного отверстия;

е) сравнительное изучение механических и прочностных характеристик полимеров марок УПЭ-6/20 и УПА-6/20, позволяющих снимать статическое электричество, не выявило принципиального различия, поэтому при выборе материала для поверхности вибродна рекомендуется материал с меньшим коэффициентом трения - УИЭ-6/20.

5. По результатам исследований был создан дозатор-смеситель эссенции и лимонной кислоты для линии производства нетянутой карамели и осуществлена его привязка к действующему оборудованию.

6. Исследования качества готовой карамели, произведенной с применением дозатора, распределяющего кислоту по плоскости, показали снижение количества редуцирующих веществ в изделиях, а также значительное улучшение распределения кислоты в карамельной массе.

7. Разработана методика расчета дозаторов-смесителей жидкого и сыпучего компонентов данного типа, в которой учитываются возможности привязки к существующему оборудован;® в зависимости от свойств подаваемых материалов и требуемой производительности, по которой" создана программа расчета дозаторов-смесителей жидкого и сыпучего компонентов на ЭВМ.

8. Опытный образец дозатора-смесителя успешно прошел производственные испытания на Московской кондитерской фабрике им. П.А.Бабаева. Годовой экономический эффект от внедерения одного дозатора-смесителя эссенции илимонной кислоты составляет 1373 тыс. рублей (в ценах 1993 года).

Работы, опубликованные по теме диссертации:

I. Давбер С.Б. Новый способ внесения вкусовых и ароматических

добавок в карамельную массу (Научно-технический реферативный сборник. Рационализаторские предложения и изобретения, рекомендованные для внедрения в-пищевой промышленности) - М., АгроНИИТсИПищепром, 1993, выл. 2.

2. Давбер С.Б. Новая конструкция дозатора-смесителя рецептурных добавок кондитерских изделий, подаваемых в малых количествах. (Научно-технический реферативный сборник. Рационализаторские предложения и изобретения, рекомендованные для внедрения в пищевой промышленности) - М., АгроНИИТсИПищепром, 1993, вып. 2.

3. Заявка № 92-008957/13 (055126). Способ дозирования сыпучего и жидкого компонентов на непрерывно движущийся пласт (авт. изобрвт. С.В.Юдин, С.А.Мачихин, С.Б.Давбер) Заявл. 02.12.1992г. Решение о выдаче патента Российской Федерации от 25.02.1993г.