Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств

Диссертационная работа:

Соколов Игорь Юрьевич. Разработка способа и моделирование процесса получения коэкструдированных продуктов с введением начинки в формующий узел экструдера : диссертация... кандидата технических наук : 05.18.12 Воронеж, 2007 200 с. РГБ ОД, 61:07-5/2400

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Г л а в а 1. Современное состояние теории, техники и технологии

производства коэкструдированных продуктов питания .... 12

  1. Основы теории и краткий обзор экструзионной техники 12

  2. Технологии получения экструдированных продуктов питания 29

  3. Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в кольцевом формующем канале экструдера ... 43

  4. Компоненты зерновой смеси как объект исследования 46

1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 50

Г л а в а 2. Теоретические и экспериментальные исследования

процесса коэкструзии зерновых продуктов 53

2.1. Обоснование содержания компонентов в зерновой

смеси 53

  1. Исследование смеси кукурузной, пшеничной и люпиновой круп методами термического анализа 60

  2. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 64

  3. Исследование реологических характеристик расплава зерновой смеси в формующем канале экструдера 70

2.5 Влияние гранулометрического состава компонентов на ха
рактер протекания процесса экструзии 76

2.6. Кинетика процесса экструзии зерновых продуктов с начин
кой 79

Г л а в а 3. Математическое моделирование течения расплава про
дукта в кольцевом формующем канале экструдера с по
дачей начинки в центральную зону
88

3.1. Теоретические основы моделирования движения вязкой

жидкости 88

  1. Моделирование течения расплава биополимера в кольцевом канале с подачей в центральную зону начинки 90

  2. Результаты проведения моделирования 106

  3. Проверка адекватности математических моделей 116

Г л а в а 4. Разработка способа производства коэкструдированных

зерновых палочек и новых конструкций экструдеров 119

  1. Разработка способа производства коэкструзионных зерновых палочек 119

  2. Исследование качественных показателей коэкструдированных продуктов 123

  1. Методы исследования физико-химических свойств образцов.. 123

  2. Анализ качественных показателей коэкструдированных палочек 126

  3. Определение микробиологических показателей экстру дата.... 130

  4. Анализ пищевой ценности разработанного экструдированного продукта 131

4.3. Разработка новых конструкций экструдеров 132

  1. Разработка конструкции шнекового экструдера для производства продуктов с начинкой 133

  2. Двухшнековый экструдер 138

  3. Разработка конструкции экструзионной плоскощелевой головки с регулируемым профилем формующего канала 144

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 149

ЛИТЕРАТУРА 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 165

Введение к работе:

В настоящее время одним из основных направлений в пищевой промышленности является изготовление продуктов повышенной пищевой и биологической ценности, обогащенных определенным функциональным компонентом (белком, жирами, витаминами и т. д.). В полной мере это перспективное направление реализуются при производстве готовых к употреблению снековых продуктов, изготавливаемых при помощи термопластической экструзии. На сегодняшний день с помощью этого процесса возможно получение широкого ассортимента изделий практически из любого сырья растительного и животного происхождения, что позволяет характеризовать этот процесс как универсальный.

С помощью экструзии возможно осуществление комплексной обработки исходного сырья, заключающееся в совместном воздействии температуры, давления и сдвиговых усилий, создаваемых рабочим органом экструдера. При этом время обработки сырья весьма мало, что позволяет сохранять термолабильные вещества в продукте, а возможность переработки широкого ассортимента исходного сырья вызвала значительный интерес среди производителей пищевых продуктов. Кроме того, экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства продуктов, что обеспечивает большой экономический эффект производства. Его использование позволяет сделать процесс непрерывным, легко контролируемым, универсальным по видам перерабатываемого сырья и готовых продуктов.

Основным компонентом сырья, используемого в различных экструзион-ных технологиях, является высокомолекулярный природный полимер - крахмал. Он в больших количествах содержится практически во всех зерновых культурах и продуктах их переработки, в меньшей степени его содержится в зернобобовых культурах с высоким содержанием белка. Широкое распространение таких продуктов на территории РФ свидетельствует о большой продовольственной базе, на основе которой возможно создание новых перспективных продуктов с задан-

ными свойствами и структурой. Они могут использоваться в виде одного из следующих направлений:

в виде готовых к употреблению пищевых продуктов функциональной направленности (диетические продукты, витаминизированные продукты, сухие завтраки и т. д.);

в виде полуфабрикатов для производства готового продукта (пеллеты);

в виде косвенных продуктов для пищевых производств (модифицированные крахмалы, биологически разрушаемые полимеры и др.).

Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: Е.С. Bernhardt, J.F. Carley, Ch.I. Chung, E. Co-lonna, C.H. Jepson, S.H. Alavi, B.H. Maddock, LP. Melcion, С Mercier, R.S. Mal-louk, P. Linko, J.M. McKelvey, W. Seibel, G. Shenkel, R.A. Strub, Z. Tadmor, M. Williams, A.H. Богатырев, A.B. Бурцев, И.Э. Груздев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Г.И. Касьянов, Л.П. Ковальская, Е.К. Коптелова, Г.М. Медведев, А.Н. Ост-риков, В.П. Первадчук, В.А. Силин, Р.В. Торнер, И.Б. Хейфец, Н.П. Черняев, В.П. Юрьев, В.И. Янков и др.

Основным направлением развития пищевой промышленности является интенсификация технологических процессов, заключающаяся в изменении физико-химические свойств сырьевых материалов путем сложного комбинированного воздействия на них рабочими органами аппаратов [1, 12, 26, 32, 53, 79, 123, 125-127,130-132].

Основной технологической машиной в производстве экструдированных изделий является экструдер (шнековый, дисковый, валковый, поршневой и т. д.), конструктивное оформление которого в зависимости от технологических требований может быть разнообразным [19, 50, 64, 67, 86, 108]. Наибольшее распространение получили шнековые экструдеры, что, в первую очередь, связано с их универсальностью и высокой производительностью.

Увеличение интереса к экструзионной технологии породило большое количество конструкторских решений, позволяющих стабилизировать параметры

процесса, расширить диапазон изменения рабочих характеристик, увеличить ассортимент выпускаемых на одной машине изделий.

Лидирующие позиции на мировом рынке экструзионной техники в настоящее время занимают следующие отечественные и зарубежные фирмы: ООО «Апрель», «Тронка-Агротех», 000 «Арсенал», 000 «ВЭС», Anderson, APV Baker, «Baker Perkins», «Buhler» AG, «Buss», «Cincinnati», «Clextral», «Crezaux-Loire», «Extru-Tech» Inc, «Insta-Pro», «Guar Group», «Kovan», «Maddox», «N.P. & Company» Inc, «Pagani», «Simon Food Engineering», «Sprout-Bauer», «Shaaf Tech-nologue», «Toshibe», «Walter», «Weber», «Wenger», «Werner & Pfleiderer». Ими представлено более 1000 моделей экструдеров различных типов [1, 7, 8, 12, 25 45,59,63-67,94,98,106,113].

Рынок экструдированных продуктов в России стал формироваться относительно недавно, в то время как за рубежом подобные продукты для многих давно являются частью повседневного рациона. Наибольшее развитие этого направления приходится на последние 10 лет. За этот период потребление экстру-датов в России выросло в несколько раз. Значительно увеличилось количество торговых марок, представленных на нашем рынке, как отечественных, так и зарубежных. Заполнение российского рынка экструзионных продуктов породило серьезную конкуренцию среди производителей, что явилось стимулом для появления новых технологий, продуктов и направлений в этой области. Необходимо отметить, что в последние 1,5-2 года рынок экструзионных продуктов перешел от экстенсивного к интенсивному развитию, т. е. рост рынка обеспечивается не увеличением объемов производства одного конкретного вида продукта, а разработка новых видов продукции и переключение потребителей на эти новинки.

Сейчас основными потребителями экструдированных продуктов являются покупатели в возрасте 10... 15 лет, в несколько меньшей степени - 16...34 лет. Кроме того, можно выделить отдельные сегменты продуктов, ориентированные не только на возрастные группы, но и обладающие функциональными свойствами. Так, например, ряд марок хлопьев и «Muesli» получили наибольшее призна-

ниє среди покупателей-женщин, строго следящих за пищевой ценностью составляющих своего дневного рациона. Такие продукты при относительно низкой калорийности позволяют сохранять ощущение сытости в течение длительного срока.

Отдельным сегментом на рынке экструзионных продуктов являются ко-экструдированные продукты. Это продукты, состоящие из зерновой оболочки, внутри которой находится начинка (жировая, белковая, фруктовая или ароматизированная). Коэкструдаты являются самыми «молодыми» на отечественном рынке, их освоение в России началось приблизительно лишь в 90-х годах 20-го столетия. Это связано со спецификой технологии их производства и более сложным конструктивным оформлением оборудования. В настоящее время увеличение интереса крупнейших производителей к коэкструдированным продуктам обусловлено возможностью привлечь потребителя за счет расширения ассортимента функциональных новинок. Об этом свидетельствует ежегодное увеличение объемов производства на 15-17%. На сегодняшний день среди готовых завтраков подушечки и трубочки с начинкой занимают второе место и уступают лишь кукурузным хлопьям. Следовательно, коэкструдаты могут занять свое место среди кондитерских изделий, что увеличит общее число потребителей и повысит прибыли производителя.

Из приведенных данных следует, что экструзия пищевых продуктов является достаточно прогрессивным способом получения качественных продуктов питания. К ее основным преимуществам можно отнести гибкость технологических схем, высокую производительность при малых габаритах оборудования, непрерывность процесса и сравнительно низкую себестоимости продукции. Однако в России эта технология пока еще не нашла широкого развития и требует целого ряда комплексных мер для успешного освоения потребительского рынка пищевых продуктов. В первую очередь это связано с тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирование является недостаточно изученным процессом. Причиной этого является недостаточная технологическая база

для разработки и создания универсальных экспериментальных установок и дефицит теоретических знаний о закономерностях протекания процесса, что препятствует выбору оптимальных технологических параметров экструзионной обработки различного растительного сырья.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА на 2006-2010 гг. «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» (№ гос. регистрации 0120.0 603139).

Цель и задачи диссертационной работы: разработка способа и моделирование процесса получения коэкструдированных продуктов с введением начинки в формующий узел экструдера; создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций экструдеров.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

моделирование процесса течения пищевой среды в формующем кольцевом канале с подачей в центральную часть начинки;

определение форм связи влаги и условий терморазложения экструди-руемой смеси;

изучение закономерностей изменения реологических характеристик расплава биополимера в формующем канале экструдера;

исследование основных закономерностей процесса экструзии зерновой смеси и выбор рациональных параметров процесса на одношнековом экструдере;

определение биологической, энергетической и пищевой ценности коэкструдированных зерновых продуктов;

разработка способа производства зерновых коэкструзионных палочек и новых конструкций экструдеров для его осуществления;

проведение промышленной апробации и производственных испытаний предлагаемых разработок.

Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ производства экструдированных зерновых продуктов с начинкой. Изучено влияние условий экструдирования пищевой смеси на закономерности протекания процесса, что позволило разработать и провести промышленную апробацию научно обоснованных режимов экструзии.

Определены реологические показатели зерновой смеси на основе люпина узколистного, перемещающейся в виде расплава в кольцевом формующем канале экструдера. Подтверждено, что изменение реологических характеристик расплава зерновой смеси подчиняется закону Оствальда-де-Виля.

Проведены исследования влияния гранулометрического состава зерновой смеси на качество получаемого продукта, в результате которого определена оптимальная область размеров частиц, позволяющая получать продукт с заданным коэффициентом расширения.

Методом дифференциально-термического анализа определены формы связи влаги с продуктом и условия терморазложения компонентов зерновой смеси оболочки, что позволило выявить допустимый диапазон температур нагрева продукта и обосновать выбор оптимальной температуры.

Выявлены закономерности изменения основных технологических параметров в зависимости от влажности исходной смеси, частоты вращения шнека, геометрии формующего канала и распределения температуры по зонам рабочей камеры. На основании полученных результатов были определены регрессионные уравнения, описывающие изменения каждой величины в исследуемом диапазоне изменения параметров процесса.

Разработана математическая модель, описывающая ламинарное движение расплава биополимера в кольцевом формующем канале экструдера. В результате проектирования были определены поля скоростей и изменение давления в заданной области.

Новизна работы подтверждена патентами РФ № 2251485, 2252871, 2266005, 2277363, 2284914.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны оригинальные конструкции экструдеров для получения продуктов питания нового поколения и способ получения коэкструзионных палочек из зерновой смеси, состоящей из люпина узколистного, кукурузы и пшеницы, а так же определены рациональные параметры процесса ее переработки.

Получены коэкструдированные зерновые палочки на основе люпина узколистного, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (2004-2006 гг.), Могилеве (2004, 2005 гг.), Казани (2004 г.), Тамбове (2005 г.), Калининграде (2006 г.), Москве (с 2004-2006 гг.), Белгороде (2006 г.).

Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами:

Диплом победителя конкурса «Инновации - 2005» в рамках 20-й межрегиональной специализированной выставки «ПРОДТОРГ» за проект «Перспективная технология для производства экструдированных продуктов нового поколения», г. Воронеж, 2005 г.;

Диплом в рамках И-ой Всероссийской выставки-ярмарки научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИН-НОВ-2005» за проект «Разработка экструдеров для производства продуктов нового поколений», г. Новочеркасск, 2005 г.;

Диплом победителя конкурса «Инновации - 2005» в рамках 2-й многоотраслевой торгово-промышленной выставки-ярмарки межрегионального сотрудничества «Воронежская область - ваш партнер!» за проект «Разработка ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов», г. Воронеж, 2005 г.;

Диплом в рамках выставки «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности», посвященной 75-летию Воронежской государственной технологической академии за проект «Разработка технологии и оборудования для производства поликомпонентных экструдированных продуктов», г. Воронеж, 2005 г.;

Благодарность за участие в конкурсе «Золотой Лев» в области науки и техники за проект «Научное обеспечение производства функциональных продуктов нового поколения», г.' Воронеж, 2006 г.

По результатам работы получена стипендия Президента Российской Федерации на 2006/2007 учебный год.

Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность ГНУ ВНИИ люпина и лично и.о. директора М.И. Лукашевич за предоставленное для проведения опытов сырье.

Подобные работы
Глухов Максим Алексеевич
Разработка и научное обоснование способа производства пищевых текстуратов в экструдере с динамической матрицей
Рудометкин Александр Сергеевич
Разработка и научное обоснование способа производства зерновых продуктов на двухшнековом экструдере
Линник Андрей Юлианович
Совершенствование процесса получения пищевых эмульсий на роторном аппарате и определение их параметров методами математического моделирования
Артемасов Валерий Валерьевич
Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов
Бабенко Денис Сергеевич
Разработка способа обезвоживания свекловичного жома методом прессования в поле вибрационного воздействия
Белозерцев Александр Сергеевич
Разработка способа сублимационной сушки в поле СВЧ продукта на основе форменных элементов крови убойных животных
Воронин Алексей Анатольевич
Разработка способа и устройства с системой распыла для вакуум-сублимационного обезвоживания экстракта стевии
Куцов Сергей Владимирович
Научное обеспечение и разработка способа обжарки овса перегретым паром атмосферного давления
Бритиков Дмитрий Александрович
Разработка способа стабилизации термовлажностных характеристик зерна при сушке и хранении
Соболев Сергей Николаевич
Разработка способа получения амарантового масла методом прессования на одношнековом прессе

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net