ГРАНУЛИРОВАНИЕ И ФОРМОВАНИЕ

Гранулирование и формование проводят в экструдерах с целью получения полуфабрикатов или готовых изделий при комплексном воздействии давления, температуры, влажности и напряжения сдви­га. Преимущества экструзии состоят в совмещении в одном экструдере нескольких процессов: диспергирования, перемешивания, гомогенизации, термической обработки (охлаждения), формования и сушки пищевых материалов. Экструдер заменяет ряд периодичес­ких процессов и оборудования, а сам процесс экструзии позволяет направленно изменять свойства и структуру перерабатываемого материала, обеспечивает непрерывность процесса, возможность непрерывной подачи в перерабатываемый материал ароматизато­ров, красителей, пластификаторов и вкусовых добавок. Экструзию применяют при выработке изделий из теста, таких как макароны, сухие завтраки, кондитерские изделия, детское питание, гранулиро­ванные корма. Готовый продукт, выработанный таким образом, или полуфабрикат называют экструдатом. Форма экструдата опре­деляется формой отверстий в матрице, которую устанавливают на выходе материала из экструдера.

Экструзия бывает холодной, тепловой и варочной. При холодной экструзии происходит только механическое формование пластичес­кого сырья в результате продавливания его через матрицу. Этот вид экструзии применяют при выработке мучных изделий, макарон, плавленых сыров, конфетных масс, мясного фарша и других про­дуктов. Тепловую экструзию используют для частичной клейстеризации крахмалсодержащих материалов влажностью 20...40% с последующей обжаркой или выпечкой. При варочной экструзии во время нагревания в перерабатываемом материале происходят необратимые биофизические изменения прежде всего белков, крах­мала и сахара. Экструдат затем сушат или обжаривают и покры­вают вкусовыми добавками. Способом варочной экструзии полу­чают сухие завтраки, хлебцы, сухие напитки, супы, мясопродукты.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ

ПРЕССОВАНИЕМ

В пищевой промышленности применяют прессы самых разно­образных конструкций. Их можно разделить на две большие груп­пы: гидравлические и механические.

Гидравлический прессработает по законам гидравлики. Основ­ной узел пресса — рабочий цилиндр, внутри которого перемещается плунжер, соединенный с подвижной плитой. Плунжер приводится в движение жидкостью высокого давления. Прессуемый материал помещается между подвижной и неподвижной плитами.

Гидравлические прессы широко применяют при переработке фруктов и овощей с целью получения соков, для производства лике­ров и эссенций.

На рис. 17 представлена схема установки для переработки фруктов на сок.

В сахарной промышленности для обезвоживания жома приме­няют наклонные горизонтальные и вертикальные шнековые прессы с одно- и двусторонним отжатием. Прессы двустороннего отжатия более производительны, чем одностороннего, и позволяют отжи­мать жом до более низкой конечной влажности.

1 — бункер; 2 — конвейер; 3 — установка для мойки и удаления косточек; 4 — насос-измельчитель, 5 — насос для мезги; 6 — бункер-накопитель; 7 — пресс

Рисунок 17 Установка для переработки фруктов на сок

Наклонный шнековый пресс(рис. 18) предназначен для отжа­тия жома. Жом поступает в сепаратор, где из него частично удаля­ется вода, а затем в пресс, где отжимается основная часть воды.

1 — сепаратор; 2 — вал шнека; 3 — сито; 4 — отжимной шнек; 5— цилиндрическое сито, 6 — регу­лировочное приспособление; 7 — отверстие для выгрузки жома; 8 — коническое сито; 9 — штуцер; 10 — отверстие для удаления воды; 11 — пополнительная поверхность фильтрования; 12 — штуцер для отвода воды

Рисунок 18 - Наклонный шнековый пресс

Часть отжатой воды проходит через цилиндрическое сито и удаля­ется через штуцер 9, другая часть воды проходит через сито 3 в полую часть вала шнека и удаляется через отверстие 10 и штуцер 9. Отжатый жом выгружается через кольцевые отверстия между коническим ситом и корпусом отжимного шнека. Размер отверстия влияет на продолжительность пребывания жома в прессе и степень отжатия воды и регулируется приспособлением 6.

Горизонтальные и наклонные прессы имеют аналогичнуюкон­струкцию. В отличие от горизонтальных прессов в наклонных не происходит частичного смешения отжатого жома с удаляемой жид­костью.

Вертикальный шнековый пресспоказан на рис. 19. Основная часть пресса — полый вертикальный шнек, установленный в спе­циальных траверсах. На кожухе шнека с противоположных сторон расположены контрлопасти, которые входят в промежутки между лопастями шнека и препятствуют вращению материала вместе со шнеком. Контрлопасти имеют отверстия, через которые проходит пар, подводимый по трубопроводу.

В верхней части пресса расположена воронка для загрузки мате­риала, а подней по цилиндрической образующей — цилиндрические разъемные сита с коническими отверстиями. Влажный жом на прессование поступает через воронку и верхними лопастями шнека направляется вниз, в зону с меньшим поперечным сечением, где происходит отжатие воды. Часть отпрессованной воды выхо­дит через отверстия цилиндричес­кого сита, а другая часть — через полый вал шнека. Выделенная вода по каналу 10 и штуцеру 9 уда­ляется из пресса.

В нижней части цилиндричес­кого сита расположено подвижное коническое сито, которое можно поднимать и опускать при помощи болтов 7. Изменением размера щели между этим ситом и нижней частью цилиндрического сита регулируется степень отжатия жома.

Отжатый жом, выходящий через щель, образованную коничес­ким и цилиндрическим ситами, при помощи скребков выгружается из шнека.

1 — приводная шестерня; 2 — загрузочная воронка; 3 — шнек; 4 — разъемное сито; 5 — контрлопасть; 6 — коническое сито; 7 — болт; 8 — скребок; 9 — штуцер; 10 — канал

Рисунок 19 Вертикальный шнековый пресс

Двухшнековый пресс(рис. 20) оборудован двумя параллельно установленными шнеками, вращающимися навстречу друг другу. В корпусе и крышках шнека имеются цилиндрические фильтрующие сита с коническими отверстиями, изготовленные из нержавеющей стали.

Конструкция пресса позволяет быстро проводить процесс обез­воживания.

1- загрузочный бункер; 2 – шнек; 3 – крышка; 4 - привод

Рисунок 20 - Двухшнековый пресс

Частоту вращения шнеков можно регулировать гидромуфтой от 1,45 до 3 мин^-1. От частоты вращения шнека зависят его производи­тельность, влажность отпрессованного жома и расход энергии.

Показатели работы пресса зависят от равномерности питания его жомом. При недостаточной загрузке пресса жомом влажность жома увеличивается.

Штемпельные и ротационные прессыприменяют для брикетиро­вания сухого жома. Ротационные прессы имеют плоскую или цилиндрическую матрицу. В штемпельных прессах матрица явля­ется неподвижной, а пуансон (штемпель) совершает возвратно-поступательное движение. В таких прессах наблюдаются большие инерционные силы при прессовании, поэтому их устанавливают на массивных фундаментах.

Одна из конструкций ротационного пресса с горизонтальной плоской матрицей показана на рис. 21. Основная часть пресса — прессующий узел, состоящий из матрицы и прессующих валков, устройства для среза гранул и полого вала. Матрица установлена на полом валу и вращается вместе с ним. Конический распределитель служит для направления сухого материала под валки.

1 — кожух; 2 — распределитель материала; 3 — бункер; 4 — прессующий валок; 5 — матрица; 6 — устройство для среза гранул; 7 — выгруз­ной лоток; 8 — лопасть

Рисунок 21 – Ротационный пресс

Спрессованный материал на выходе из отверстия матрицы среза­ется ножом и лопастью направляется в выгрузочный лоток. Зазор между матрицей и лезвием ножа должен быть не более 0,5 мм. Необходимо, чтобы нож перекрывал рабочую ширину матрицы; лезвие его должно располагаться параллельно нижней плоскости матрицы. Угол наклона ножа к горизонтальной плоскости состав­ляет 30°.

Для срезания брикета устанавливают четыре ножа. Если необхо­димо получить более крупные брикеты, количество ножей умень­шают.

Дисковый пресс,используемый в производстве прессованного сахара-рафинад а, состоит из следующих основных узлов: набивной коробки для приема рафинадной кашки; диска с матрицами и пуан­сонами; упора для прессования брусков рафинада; механизма для натирки стола; механизма для подачи сахара в матрицы; механизма для выталкивания отпрессованных брусков рафинада; механизма для подъема пуансонов; механизма для поворота диска, привода и станины.

Рисунок 22 - Схема работы дискового пресса

Стол пресса совершает вращательное движение против часовой стрелки в горизонтальной плоскости (рис. 22). Во время одного оборота стол делает четыре остановки, при которых совершаются последовательно следующие операции: I — заполнение матрицы рафинадной кашкой; II — формование при движении пуансона вверх; III — выталкивание брусков сахара пуансоном из матрицы; IV— очистка пуансона от остатков сахара и натирка мастикой.

Матрицы пресса выполнены в виде латунных коробок, которые вставлены в отверстия диска.

Из таблетирующих машиннаибольшее распространение в пище­вой промышленности получили ротационные. В этих машинах мате­риал прессуется пуансонами, вмонтированными в ротор по его окружности на двух уровнях. Во время работы пуансоны перемеща­ются вдоль вертикальной оси благодаря копирам и прессующим роликам, которые предназначены для их верхнего и нижнего рядов. При вращении ротора пуансоны, двигаясь в матрице, заполненной предварительно таблетируемым материалом, сжимают его с двух противоположных сторон. Таблетка выталкивается из матрицы нижним пуансоном при выведенном верхнем.

Ротационные таблетирующие машины делятся на два класса. В машинах первого класса пуансоны катятся по копирам, в машинах второго класса скользят. Различают машины однократного и много­кратного действия, в которых каждая пара пуансонов за один обо­рот ротора формирует соответственно одну или несколько табле­ток.

Гранулирование может осуществляться тремя способами: на спе­циальных устройствах — грануляторах, окатыванием и в псевдоожиженном слое.

Двухшнековый формовочный пресс(рис. 23) используют в производстве конфет, в частности пралине, методом формования конфетной массы через фильеру с калиброванными отверстиями. Пресс создает давление в конфетной массе и продавливает ее через фильеру. Непосредственно на выходе из фильеры жгуты конфетной массы рубятся на гранулы эксцентрично установленными ножами гранулятора (рис, 24), расположенными с определенным зазором у фильеры.

Фильера представляет собой плоский металлический диск с отверстиями, через которые продавливается прессуемая масса. Форма отверстия фильеры определяет вид изделия. При продавли-вании через отверстия фильеры масса принимает определенную форму. Течение массы в отверстиях фильеры подобно течению очень вязкой жидкости.

1 — привод; 2 — загрузочный бункер; 3 — дозирующий шнек; 4 — корпус пресса; 5 — шнек; 6 — фильера

Рисунок 23 - Двухшнековый формовочный пресс

1 —- подающий шнек; 2 — филъера; 3 — кожух гранулятора; 4 — рубящий нож; 5 — вал; 6 — редуктор; 7 — электродвигатель: 8 — вентилятор

Рисунок 24 - Установка для гранулирова­ния

Давление, создаваемое шнеком, зависит от гидравлического сопротивления в отверстиях фильеры. Сопротивление определяется консистенцией теста, формой и размером отверстий.

Рубящие ножи закреплены на вращающемся валу, имеющем соб­ственный привод. Эксцентричное расположение ножевого крыла позволяет заполнить материалом все сечение фильеры. Для регули­ровки зазора между фильерой и рубящими ножами ножевой вал может перемещаться в осевом направлении. Для этого кожух гранулятора может быть отведен в сторону вместе с приводом. При демонтаже шнека грануляционная головка может быть отведена от нагнетающего шнека.

Технологическая линия для производства экструдированных пищевых продуктов (панировочные сухари, суповые добавки, сухие завтраки и т. п.) показана на рис. 25. В линию входят бункер 1 для основного сырья, бункер 2 для вкусовых добавок, смеситель 3, шнековый дозатор 4, экструдер 6, гранулятор 7, насос-дозатор 5, а также дополнительное оборудование в зависимости от вида полу­чаемого продукта — охладитель 8, промежуточный бункер 9, нако­пительный бункер 11 (сушильная печь 10, жарочная ванна, аромати­затор и другое оборудование).

Рисунок 25 – схема получения экструдированных продуктов

Процесс экструзии проводят в экструдерах с одним или несколь­кими шнеками, установленными в одном корпусе. Технологическая часть экструдера состоит из корпуса, в котором вращаются один или два шнека, смесительных дисков, разгрузочных устройств, приспо­собления для смены набора фильтров. Корпус и шнеки могут быть выполнены из отдельных секций. Каждая секция имеет сверления для установки термопар и датчиков давления. Корпус, как правило, обогревается электрическими нагревателями сопротивления, а шнеки охлаждаются при необходимости водой, циркулирующей через отверстия в секциях корпуса и в пустотелых валах шнека.

Корпус экструдера, шнеки, смесительные элементы, а также загрузочную секцию изготовляют из высокопрочных износостойких сталей (азотированные стали, содержащие хром и никель). Сбор­ные шнеки позволяют собирать последовательно зоны загрузки, смешения, пластификации и экструзии.

Особенности этих зон — технологическое назначение их и различие физико-химических свойств материала по длине шнека.

Конструкция загрузочных устройств экструдеров зависит от вида материала. Для загрузки сыпучей смеси с небольшой насыпной мас­сой (100...400 кг/м³) применяют воронкообразные бункера с воро­шителями. Ворошитель представляет собой вертикальный вал, к которому приварены наклонные лопатки, образующие как бы чер­вяк с прерывистой навивкой для разрыхления материала. Нижняя часть вала может заканчиваться червячным питателем. Для загрузки пастообразных, влажных и порошкообразных материалов, обладающих повышенной адгезией, применяют одночервячные и двухчервячные загрузочные устройства.

Схема одношнекового экструдера показана на рис. 26. Экструдер состоит из узла загрузки 1, корпуса 2, шнека 3, сменной матрицы (фильеры) 4 и привода 5 с системой управления. Диаметр шнека составляет 50...250 мм, длина — от 1 до 20 диаметров. Форма профиля витка прямоугольная или трапецеидальная. На рис. 26 зона I соответствует материалу в увлажненном состоянии, II — в пластическом состоянии, в зоне III материал представляет собой аморфную текучую массу.

1 —загрузочная воронка; 2 — корпус; 3 — шнек; 4 — фильера: 5 — привод; t — термопары; М — датчик давления

Рисунок 26 - Схема одношнекового экструдера

Показатель работы экструдера — его эффективность, которая определяется отношением часовой производительности к единице потребляемой мощности.

Гранулирование окатыванием применяют в кондитерской про­мышленности при производстве конфет, состоящих из ядра и обо­лочки. Наслоение оболочки на ядро осуществляют в дражировоч­ных грануляторах.

Дражировочный грануляторпредставляет собой чашеобразный корпус с вогнутым дном, который совершает сложное движение в горизонтальной плоскости. Чаша вращается вокруг собственной оси и вокруг вала привода (рис. 27), Такое сложное движение чаши создает восходящий винтообразный поток порошка. В результате происходит окатывание ядра оболочкой, что приводит к росту гра­нул. Ядром служат обычно кристаллы сахара, изюм и орехи, ягоды и т. д. Оболочка состоит из сахарной цедры, порошка какао, кофе и т. д.

Рисунок 27 - Схема движения частиц в дражировочном грануляторе

Контрольные вопросы

1. С какой целью применяют измельчение и классификацию твердых материалов?

2. На какие виды подразделяется измельчение в зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков материала?

3. Чем характеризуется процесс измельчения?

4. Какими методами производится измель­чение твердых материалов?

5. Какие схемы измельчения применяются в пищевой про­мышленности?

6. От каких характеристик измельчаемых материалов зависит работа, затрачиваемая на измельчение?

7. Какие типы измельчающих машин применяются в промышленности? Характеристики дробилок и мельниц.

8, Перечислите требования к измельчающим машинам.

9. Каков принцип действия щековых, гирационных и молот­ковых дробилок? 10. Какие мельницы применяют для дробления и помола зерна?

11. Каков принцип действия свеклорезки?

12. Какие виды классификации используются в промышленности?

13. На чем основана классификация материалов грохочением?

14. На чем основана гидравлическая и воздушная классификация?

15. В каких аппаратах производится воздушная классификация?

16. Для чего применяют прессование в пищевой промышленности?

17. Чем различаются обезвоживание и брикетирование продуктов?

18. Из каких составляющих складывается давление прессования?

19. От каких величин зависит средний коэффициент уплотнения?

20. От каких величин зависит средняя плот­ность брикета?

21. Какое оборудование используют при обработке продуктов прессова­нием? 22. Каков принцип работы обезвоживающих шнековых прессов, ротационных брикетирующих прессов?

23. Опишите устройство и принцип работы гранулирующего устройства.

24. Какое оборудование применяют для получения экструдированных пищевых продуктов?

25. Опишите устройство и принцип работы экструдера.

литература

1. Кавецкий, Г.Д. Процессы и аппараты пищевой технологии / Г.Д. Кавецкий, Б.В. Васильев. - М.: Колос, 2007. - 555с.

2. Плаксин, Д. С. Процессы и аппараты пищевых производств / Д.С. Плаксин. - М.: Информагротех, 2006. - 735с.