Введение к работе
Актуальность работы. Производство продуктов питания методом высокотемпературной кратковременной экструзии является одним из экономически выгодных способов. Экструзионное оборудование по сравнению с другим технологическим оборудованием, решающим подобные технологические задачи, занимает меньшую рабочую площадь предприятия и требует меньших финансовых затрат на обслуживание.
Мировое потребление экструзионных продуктов питания непрерывно растет, включая Россию, Западную Европу и США. Типичным представителем готовых экструдированных завтраков являются изделия с начинками, вырабатываемые методом коэкструзии корпуса и масложировой начинки.
В настоящее время важную роль играет замещение импортных продуктов питания на отечественные. Это снижает цены на готовую продукцию и расширяет ассортимент, что направлено на обеспечение продовольственной безопасности РФ.
Расширение ассортимента экструзионной продукции целесообразно проводить с использованием новых компонентов начинок, в частности экструзионного кукурузного крахмала, что позволяет улучшить технологические режимы и сократить возвратные отходы коэкструзионной продукции.
Применение новых начинок меняет режимы работы экструдера, что требует изучения реологических свойств начинок и их учета в инженерном совершенствовании формующего инструмента.
Сложившаяся в России экономическая ситуация недостатка качественных отечественных продовольственных товаров, а также жесткая конкурентная борьба производителей на товарных рынках требуют выпускать конкурентоспособную продукцию. Этого возможно достичь совершенствованием конструкции формующего инструмента экструдеров и технологического процесса производства коэкструдированных продуктов.
Анализ отечественной и зарубежной литературы и патентных поиск показал, что вопросами экструзии и экструзионного оборудования занимался рад ученых: Р.В.Торнер, А.Н.Богатырев, В.П.Юрьев, А.И.Жушман, В.Г.Карпов, А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин, G.Schenkel, B.H.Maddock, E.C.Bernhardt, J.M.McKelvey, J.F.Carley, R.S.Mallouk, E.Fisher и другие, а вопросами исследования физикомеханических свойств пищевых сред: Б.М.Азаров, Г.В.Виноградов, М.П.Воларович, А.В.Горбатов, Н.Н.Липатов, А.Д.Малкин, С.А.Мачихин, Ю.А.Мачихин, В.П.Корячкин и другие. Своими исследованиями они внесли большой вклад в изучение процессов, протекающих при экструзии, и реологии пищевых материалов. Однако вопросы коэкструзии корпуса из зернового сырья и масложировой начинки изучены не достаточно и их изучение, а также разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров является задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.
Объектами исследования являются жировые начинки и расплав корпуса изделий типа «готовые завтраки».
Предметом исследования является разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров для формования корпуса с начинкой методом коэструзии.
Цель исследования состоит в совершенствовании конструкции формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой для достижения равномерного распределения начинки по длине полого корпуса.
Теоретические исследования экструзионной техники, технологии и теории показали, что процесс коэкструзии является сложным процессом, в котором происходит взаимодействие двух разнородных сред. Для изучения процесса коэкструзии и достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– провести теоретические исследования современного состояния экструзионной техники и изучения конструкций формующих инструментов экструдеров, используемых для формования коэкструдированных изделий;
– провести изучение технологических схем производства коэструдированных готовых завтраков;
– провести теоретические исследования процесса течения сплошных 45 неньютоновских твердообразных сред и их математических моделей;
– выявить закономерности сдвигового течения начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал;
– выбор оптимальной дозировки экструзионного кукурузного крахмала, как составляющей части жировой начинки;
– выбор рациональной температуры дозирования начинки с экструзионным кукурузным крахмалом;
– выбор оптимальной величины угла конического рассекателя потока начинки, установленного в круглом канале для подачи начинки;
– установить реологические свойства расплава корпуса коэкструдированных изделий;
– разработать математическую модель течения расплава и начинки в формующем инструменте экструдера;
– усовершенствовать конструкцию формующего инструмента экструдера для коэкструдирования корпуса с жировой начинкой;
– проверить функционирование усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдера в промышленных условиях;
– провести внедрение в производство формующего инструмента экструдера усовершенствованной конструкции.
Научная новизна. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован формующий инструмент экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой.
Изучено влияние содержания экструзионного кукурузного крахмала на физико-механические свойства жировой начинки. Изучено влияние температуры на свойства жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Изучено влияние конического рассекателя потока начинки на сдвиговое течение начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в круглом капилляре.
Изучено сдвиговое течение расплава корпуса коэкструдированных изделий в кольцевом канале формующего инструмента. Выявлено реологическое уравнения состояния расплава.
Выявлены основные закономерности сдвигового течения жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в зависимости от температуры, содержания экструзионного кукурузного крахмала и угла при вершине конуса конического рассекателя потока начинки. Предложены реологические уравнения состояния и уравнения вязкости жировых начинок, содержащих экструзионный кукурузный крахмал.
Разработана математическая модель течения начинки и расплава коэкструдированных изделий, которая позволила предложить методику инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем потока.
Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №2381726.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке усовершенствованного формующего инструмента экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой, в канале для подачи начинки которого установлен конический рассекатель начинки. Определены рациональные размеры конического рассекателя. Определено оптимальное содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке. Определен рациональная температура дозирования начинки.
Использование конического рассекателя потока начинки позволило равномерно распределять начинку по длине кольцевидного жгута корпуса изделия, что улучшило потребительские свойства готовой продукции и снизило затраты на производство. Расчетная экономическая эффективность предлагаемого формующего инструмента составила 3,6 рубля на 1 кг готовой продукции.
Реализация результатов работы. Проведена апробация, изготовленного в металле формующего инструмента экструдера, на предприятии ООО «Продэкст» при выработке коэкструдированных изделий с начинкой.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях преподавателей и сотрудников ОрелГТУ «Неделя науки» (2006-2011 гг.), на III международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (17-19 октября 2006 года), на китайско-российском симпозиуме «2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology» (24-28 мая 2010 года), на VI международной научно-практической интернет конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров», опубликованы статьи в журнале «Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» (2008-2009) и журнале «Хлебопродукты»
По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ, в т.ч. 2 статьи в рецензируемых ВАК научных журналах и получен патент РФ №2381726 от 5 ноября 2008 года.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Работа изложена на 146 страницах основного текста, содержит 58 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 172 источников, в том числе 33 источника на иностранном языке. Приложения включают таблицы с экспериментальными данными, тарировочные таблицы приборов и оборудования, протоколы исследования коэкструдированных изделий на соответствие требованиям качества и безопасности и патент №2381726 на усовершенствованную конструкцию формующего инструмента экструдера.
