Моделирование процесса получения экструдатов на основе нового технологического решения

9. Kryuchkova, L.G. Improving the process of operation of rationing-unloading devices of a screw type bunker distributor-mixer: Abstract dis. ... candidate of technical sciences / L.G. Kryuchkova. - Blagoveshchensk, 2007. - 19 p.

10. Konovalov, V.V. Calculation of the equipment and technological lines of feed preparation / V.V. Konovalov. - Penza, EPD PSAA, 2002. - 206 p.

11. Artemyev, V.G. Elements of the theory of spiral screw spring conveyors. Scientific editing / V.G. Artemyev, Yu. M. Isayev. - Ulyanovsk: USAA, 2006. - 108 p.

12. Critical frequency of rotation of the spiral screw when replacing a particle of the material / Yu. M. Isayev, V.G. Artemyev, N. M. Semashkin et.al. // Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy. - 2012. - № 1. - P.132-135.

13. Determination of the correction coefficients of delivering vertical auger / I. A. Borovikov, V.V. Konovalov, S.V. Gusev, L.V. Inozemtseva // Vestnik of Saratov state university in the name of N. I. Vavilov. - 2007. - № 3. - P. 43-44.

14. The definition of delivering the cylindrical screw press / V.V. Novikov, V.V. Konovalov, D. V. Belyaev, L.V. Inozemtseva // Niva Povolzhya. - 2010. - № 2. - P.51-56.

15. Gumarov, G.S. Fundamentals of scientific research and processing the experimental data on the computer / G.S. Gumarov, V.V. Konovalov. - Uralsk: Typography of LLP «Polygraphservice», 2008. - 242 p.

УДК664.769

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРУДАТОВ НА ОСНОВЕ НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

А. А. Курочкин, доктор техн. наук, профессор; Г. В. Шабурова, канд. техн. наук, доцент; Д. И. Фролов, канд. техн. наук, доцент; П. К. Воронина, аспирант

ФГБОУ ВПО «Пензенский ГТУ», Россия, e-mail: anatolii_kuro@mail.ru

Представлены результаты исследований влияния влажности экструдируемого сырья, а также диаметра фильеры матрицы и давления воздуха в вакуумной камере экструдера на индекс расширения экструдатов. На основе запатентованного авторами способа производства экструдатов предложен новый технологический принцип получения экструдированных продуктов с улучшенными структурными свойствами. Результаты моделирования процесса получения экструдатов из растительного крахмалсодержащего сырья свидетельствуют о том, что наряду с технологическими факторами экструзии (влажность сырья) и техническими параметрами экструдера (диаметр фильеры матрицы) величина давления в вакуумной камере экструдера оказывает существенное воздействие на индекс расширения, а значит, и на интенсивность формирования пористой структуры получаемых экструдатов. Приведен анализ полученной модели и ее графическая интерпретация.

Ключевые слова: растительное сырье, крахмал, влажность, экструдат, вакуумная камера экструдера, фильера матрицы, индекс расширения.

Введение. Многочисленными исследованиями установлено, что в растительном крахмалсодержащем сырье изменения крахмала в процессе экструзии зависят от удельной механической и тепловой энергии, полученной обрабатываемым материалом [1-4].

Наряду с функционально-технологическими свойствами получаемых экструда-тов, эта энергия существенно влияет на коэффициент вспучивания (индекс расширения) экструдата и его пористость [5-7].

С другой стороны, пористая структура экструдатов обусловливает такие их свойства, как набухаемость, водоудерживающая

способность, растворимость, жироудержи-вающая способность и др. [8, 9, 10].

Известно, что содержание воды в экс-трудируемом сырье относится к числу наиболее важных факторов, влияющих на процесс термопластической экструзии. Влажность обрабатываемого сырья определяет температуру его перехода в вязко-текучее состояние. Изменяя вязкость системы, вода оказывает влияние на тепловой баланс экструдера, в котором теплота выделяется в результате трения при гомогенизации, пластификации, сдвиге и сжатии перемещаемого в процессе обработки материала.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - вал; 4 - загрузочная камера; 5 - корпус; 6 - шнек; 7 - фильера; 8 - режущее устройство; 9 - вакуумная камера; 10 - вакуумный насос; 11 - шлюзовой затвор; 12 - выгрузная камера

Влажность сырья оказывает существенное влияние на давление и температуру, при которых обрабатываемый материал выходит из фильеры матрицы экструде-ра. При этом жидкость играет роль летучего, перегретого компонента системы, который обеспечивает парообразование в ней при мгновенном сбросе давления , а также резкое охлаждение и отверждение (геле-образование) получаемого продукта в процессе взрывного испарения воды.

Экспериментально установлено, что давление обрабатываемого сырья в пред-матричной зоне экструдера можно регулировать его подачей в зоне загрузки, частотой вращения рабочего шнека (шнеков), а также диаметром формующего канала (фильеры) [11-15]. Следует отметить, что перечисленные факторы по отношению к давлению являются взаимозависимыми, поэтому корректные результаты в исследованиях можно получить, учитывая этот факт.

Целью проведенных исследований были выявление и оценка степени влияния технологических факторов экструзионного процесса и технических параметров экс-трудера на структуру экструдата растительного крахмалсодержащего сырья.

Основная задача исследования состояла в определении факторов, оказывающих наибольшее влияние на индекс расширения экструдатов.

Методика исследований. Исследования влияния технологических факторов экс-трузионного процесса и технических параметров экструдера на структуру экструдата

проводились с помощью экспериментальной установки, приведенной на рис. 1.

В ее состав входит одношнековый пресс-экструдер, укомплектованный режущим устройством 8, вакуумной камерой 9 и выгрузной камерой 12.

Пониженное давление в вакуумной камере создавалось с помощью вакуумного насоса 10 с подачей 60 м3/ч, вакуум-регулятора и вакуум-баллона (на рисунке не показаны).

Вакуум-регулятор позволял поддерживать необходимое давление в вакуумной камере, а вакуум-баллон служил для сглаживания возможных колебаний давления в системе и сбора конденсата, получаемого при охлаждении паровоздушной смеси, откачиваемой из вакуумной камеры.

Выгрузка готового экструдата без разгерметизации вакуумной камеры обеспечивалась с помощью шлюзового затвора 11.

В качестве объекта исследования был выбран ячмень с массовой долей влаги 10...18 % без предварительного шелушения поверхности. Целые зерна экструдиро-вали в течение 15.20 с при температуре 100.110 оС с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экс-трудера сырье пониженным давлением, равным 0,02...0,08 МПа. Экструдат ячменя при выходе из фильеры матрицы разрезался с помощью режущего устройства на частицы размером 1,0.2,0 мм. Частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, эксперимент проводился в трехкратной повторности.

Нива Поволжья № 1 (30) 2014 71

Исследования были проведены с использованием многофакторного эксперимента [16, 17, 18]. В качестве факторов были выбраны: влажность ячменя, диаметр отверстия фильеры и величина вакуума в вакуумной камере. За критерий качества был принят индекс расширения экструдатов (коэффициент взрыва). Для получения математической модели процесса получения экструдата в виде полинома второй степени реализовали 3-факторный центральный композиционный план (таблица).

Матрица планирования эксперимента в раскодированном виде

Результаты исследований. После реализации плана исследований статистическая обработка экспериментальных данных была осуществлена с помощью корреляционно-регрессионного анализа в среде М1сгозоАЕхсе! 2010 и 81а11з11са 10. В результате получена адекватная математическая модель второго порядка (1), описывающая зависимость коэффициента взрыва В от влажности Ж, вакуума Р, диаметра отверстия й.

В =-0,9654 + 0,2823Ж - 0,0051Ж2 +

+ 0,2603й - 0,0291й2 +

+ 41,6415Р - 247,1807Р2.

Полученная модель характеризуется следующими показателями качества:

- множественный коэффициент корреляции К = 0,94, что по шкале Чеддока свидетельствует о высокой силе связи между переменными;

- коэффициент детерминации К2 = 0,88, что означает функциональную зависимость между переменными (полученная модель объясняет 88 % изменчивости);

- статистическая значимость составляет р<0,01, что соответствует высокому уровню доверия к полученной модели.

Для изучения свойств поверхности отклика в окрестностях оптимума выполнено каноническое преобразование полученной математической модели. Анализ поверхности отклика проводили с помощью двух-

W, % d, мм P, МПа B

1 10,00 4,00 0,02 3,20

2 10,00 4,00 0,06 4,15

3 10,00 8,00 0,02 2,50

4 10,00 8,00 0,06 3,00

5 18,00 4,00 0,02 3,80

6 18,00 4,00 0,06 4,90

7 18,00 8,00 0,02 3,10

8 18,00 8,00 0,06 4,00

9 7,27 6,00 0,04 2,00

10 20,73 6,00 0,04 4,80

11 14,00 2,64 0,04 3,00

12 14,00 9,36 0,04 3,60

13 14,00 6,00 0,01 2,60

14 14,00 6,00 0,07 4,10

15 (Н) 14,00 6,00 0,04 3,80

16 (Н) 14,00 6,00 0,04 3,80

мерных сечений. Главное преимущество этого способа состоит в том, что с его помощью можно детально исследовать форму поверхности.

Уравнение, описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость ко-

эффициента взрыва В от влажности W и вакуума Р, имеет вид (2), а его графическая интерпретация представлена на рис. 2.

В = 0,6427 + 0,1621Ж + 19,7969Р -

- 0,002Г2 + 0,8594ГР - 124,5143Р2.

Нива Поволжья № 1 (30) 2014 73

Анализ уравнения (2) показывает, что, например, при влажности обрабатываемого сырья 14 % изменение величины вакуума от 0,02 до 0,04 МПа, т. е. в 2 раза, приводит к увеличению коэффициента взрыва с 3,11 до 3,61 единиц, т. е. примерно на 16 %.

Уравнение, описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость коэффициента взрыва В от диаметра сС и вакуума Р, представлено в виде

В = 1,8213 + 0,239^ + 46,9925Р -

- 0,0206^2 - 2,03ШР -161,7251Р2.

Графический вид данного уравнения приведен на рис. 3.

Анализ уравнения (3) и поверхности отклика показывает, что влияние вакуума на коэффициент взрыва ослабевает с увеличением диаметра фильеры матрицы экс-трудера.

Уравнение, описывающее поверхность отклика и характеризующее зависимость коэффициента взрыва В от влажности W и диаметра сС, имеет вид

В = 1,362 + 0,186Г + 0,0807^ -

- 0,0025Г2 + 0,0039^ - 0,0187^2.

В графическом виде уравнение показано на рис. 4.

Анализ уравнения (4) показывает, что коэффициент взрыва увеличивается при возрастании влажности обрабатываемого сырья и уменьшается с увеличением диаметра фильеры матрицы экструдера.

Выводы. Таким образом, наряду с влажностью обрабатываемого сырья и техническими параметрами экструдера на индекс расширения экструдатов (коэффициент взрыва) существенное влияние оказывает давление воздуха в вакуумной камере экструдера. Способ получения экс-трудатов, при котором перерабатываемое сырье из области высокого давления в тракте машины (2,0.2,7 МПа) поступает в вакуумную камеру экструдера с давлением 0,02...0,09 МПа [19], позволяет значительно интенсифицировать процесс экструзии без увеличения температуры процесса.

Литература

1. Экструзионная технология пищевых текстуратов / А. Н. Остриков, М. А. Глухов, А. С. Ру-дометкин, Е. Г. Окулич-Казарин // Пищевая промышленность. - 2007. - № 9. - С. 18-20.

2. Курочкин, А. А. Теоретические и практические аспекты экструзионной технологии в пивоварении / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, В. В. Новиков // Нива Поволжья». - 2007. - № 1. -С. 20-24.

3. Курочкин, А. А. Использование экструдированного ячменя в пивоварении / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, В. В. Новиков // Пиво и напитки. - 2006. - № 5. - С. 16-17.

4. Белковый комплекс экструдированного ячменя / Г. В. Шабурова, А. А. Курочкин, В. В. Новиков, В. П. Чистяков // Пиво и напитки. - 2007. - № 3. - С. 12-13.

5. Курочкин, А. А. Аминокислотный состав экструдированного ячменя / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Пиво и напитки. - 2008. - № 4. - С. 12.

6. Курочкин, А. А. Моделирование характера движения материала в матричной зоне однош-некового пресс-экструдера / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, В. В. Новиков // Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: сб. статей V Ме-ждунар. научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2011. - С. 19-24.

7. Новиков, В. В. Анализ рабочего процесса шнекового экструдера /В. В. Новиков,

A. А. Курочкин // Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы: сб. мат. III Международной научно-практической конф. - Пенза, 2005. - С. 95-96.

8. Кухарев, О. Н. Резервы кормового поля / О. Н. Кухарев, В. И. Бученков, А. С. Ганкин // Кормопроизводство.- 2002. - № 5. - С. 2-3.

9. Регулирование структуры экструдатов крахмалсодержащего сырья / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, Д. И. Фролов, П. К. Воронина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 4. - С. 94-99.

10. Курочкин, А. А. Регулирование функционально-технологических свойств экструдатов растительного сырья / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, П. К. Воронина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 4. - С. 86-91.

11. Влияние технологических параметров процесса экструзии на коэффициент вспучивания зерновых палочек / А. Н. Остриков, О. В. Абрамов, А. С. Рудометкин, А. С. Попов // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2005. - № 22. - С. 53-55.

12. Определение пропускной способности зоны загрузки пресс-экструдера / С. В. Денисов,

B. В. Новиков, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2009. - № 12. - С. 73-76.

13. Курочкин, А. А. Обоснование рациональных параметров шнека пресс-экструдера в зоне загрузки / А. А. Курочкин, В. В. Новиков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. -2013. - № 6 (10). - С. 123-127.

14. Методологические аспекты теоретических исследований пресс-экструдеров для обработки растительного крахмалсодержащего сырья / А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, В. В. Новиков, С. В. Денисов // ХХ1 век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - № 6 (10). - С. 46-55.

15. Определение объемного расхода экструдата в зоне прессования одношнекового пресс-экструдера / В. В. Новиков, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова и др. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2011. - № 1. - С. 91-94.

16. Кухарев, О. Н. Результаты исследований барабанного дражиратора / О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов, А. М. Чирков // Нива Поволжья. - 2010. - № 1 - С. 54-57.

17. Комплекс машин для производства лука. Теория, конструкция, расчет / Н. П. Ларюшин, К. З. Кухмазов, А. В. Поликанов и др.: монография. - Пенза, ПГСХА, 2001. - 267 с., ил.

18. Ларюшин, Н. П. Исследование машин для ориентированной посадки лука-матки / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции: сб. науч. трудов. - Пенза, 2002.

19. Патент 2460315 Российская Федерация мПк А23Ы/00. Способ производства экструдатов / Г. В. Шабурова, А. А. Курочкин, П. К. Воронина, Г. В. Авроров, П. А. Ерушов. - № 20011107960; заявл. 01.03.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25. - 6 с.

UDK664.769

MODELING THE PROCESS OF GETTING EXTRUDATES ON THE BASIS OF NEW TECHNOLOGICAL SOLUTIONS

A.A. Kurochkin, doctor of technical sciences, professor;

G.V. Shaburova, candidate of technical sciences, assistant professor; D.I. Frolov, candidate of technical sciences, assistant professor; P.K. Voronina, post graduate

FSBEE HPT «Penza STU», Russia, e-mail: anatolii_kuro@mail.ru

The article deals with the research results on the influence of humidity of extruded raw material and diameter of nozzle of the matrix and air pressure in vacuum chamber of the extruder on the index of extrudates expansion. On the basis of the patented method of production of extrudates a new technological principle of getting extruded products with improved structural properties has been proposed. The results of modeling the process of obtaining extrudates from vegetable starch-containing raw materials show that alongside with technological factors of extrusion (humidity of raw materials) and technical parameters of the extruder (diameter of the nozzle of the matrix) and the pressure in the vacuum chamber of the extruder has a significant impact on the expansion index, and hence the intensity of formation of porous structure of extrudates obtained. The analysis of the obtained model and its graphical interpretation have been presented in the article.

Key words: vegetable raw materials, starch, humidity, extrudate, vacuum chamber extruder, nozzle of matrix, the index extension.

References:

1. Extrusion technology in food textures / A. N. Ostrikov, M. A. Glukhov, A. S. Rudometkin, E. G. Okulich-Kazarin // Pishevaya promyshlennost. - 2007. - № 9. - P. 18-20.

2. Kurochkin, A. A. Theoretical and practical aspects of extrusion technologies in brewing / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, V.V. Novikov // Niva Povolzhya. - 2007. - № 1. - P. 20-24.

3. Kurochkin, A. A. Application of extruded barley in brewing / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, V.V. Novikov // Pivo i napitki (Beer and drinks). - 2006. - № 5. - P. 16-17.

4. Protein complex of the extruded barley / G.V. Shaburova, A. A. Kurochkin, V.V. Novikov, V. P. Chistyakov // Pivo I napitki (Beer and drinks). - 2007. - № 3. - P. 12-13.

5. Kurochkin, A. A. Amino acid composition of the extruded barley / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova // Pivo I napitki (Beer and drinks). - 2008. - № 4. - 12 p.

6. Kurochkin, A. A. Modeling the characteristics of the motion of material in the matrix zone of one-screw press-extruder / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, V.V. Novikov // Food industry and agricultural complex: achievements, problems, prospects: collection of articles of the V International scientific-practical conference. - Penza: Privolzsky dom znanij, 2011, - P. 19-24.

7. Novikov, V.V. Analysis of the operation process of the screw extruder / V.V. Novikov, A. A. Kurochkin // Agro-industrial complex: state, problems, prospects: collection of materials of III International scientific-practical conference. - Penza, 2005. - P. 95-96.

8. Kukharev, O. N. Reserves of fodder fields / O. N. Kukharev, V. I. Buchenkov, A. S. Gankin // Kormoproizvodstvo. - 2002. - № 5. - P. 2-3.

9. Regulation of the structure of extrudates of starch-containing raw materials / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, D. I. Frolov, P. K. Voronina // Izvestiya of Samara state agricultural academy. - 2013. - № 4. - P. 70-75.

Нива Поволжья № 1 (30) 2014 75

10. Kurochkin, A. A. Regulation of functional and technological properties of extrudates of plant raw materials / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, P.K. Voronina // Izvestiya of Samara state agricultural academy. - 2012. - № 4. - P. 86-91.

11. The influence of technological parameters of the process of extrusion on the coefficient swelling of grain sticks / A. N. Ostrikov, O.V. Abramov, A. S. Rudometkin, A.S. Popov // Reports of Russian Academy of agricultural sciences. - 2005. - № 22. - P. 53-55.

12. Definition of bandwidth in the loading zone of the press-extruder / S. V. Denisov, V.V. Novikov, A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova // Vestnik of Altai state agrarian university. - 2009. - № 12. - P. 73-76.

13. Kurochkin, A. A. Justification of rational parameters of the screw in thepress-extruder in the loading zone / A. A. Kurochkin, V.V. Novikov // XXI century: results of the past and challenges of the present. - 2013. - № 6 (10). - P. 123-127.

14. Methodological aspects of theoretical studies of press-extruders for processing plant starch-containing raw materials / A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova, V.V. Novikov, S.V. Denisov // XXI century: results of the past and challenges of the present. - 2013. - № 6 (10). - P. 46-55.

15. Determination of the volume consumption of the extrudate in the zone of pressing in one-screw press-extruder / V.V. Novikov, A. A. Kurochkin, G.V. Shaburova et.al. // Vestnik of Altai state agrarian university. - 2011. - № 1. - P. 91-94.

16. Kukharev, O. N. The results of the research drum pellet mill / O. N. Kukharev, I. N. Syomov, A. M. Chirkov // Niva Povolzhya. - 2010. - № 1. - P. 54-57.

17. A complex of machines for onion production. Theory, design, calculation / N. P. Larushin, K.Z. Kukhmazov, A.V. Polikanov et.al.: monograph. - Penza, PSAa, 2001. - 267 p. with illustrations.

18. Larushin, N. P. Testing equipment for oriented onion-planting onion / N. P. Larushin, O. N. Kukharev // Problems of development of machine technologies and technical means of production of agricultural products: collection of scientific articles. - Penza, 2002.

19. Patent 2460315 of the Russian Federation IPC А23L1/00. Method of production of extrudates / G.V. Shaburova, A. A. Kurochkin, P.K. Voronina, G. V. Avrorov, P. A. Yerushov. № 20011107960; Appl. 01.03.2011; publ. 10.09.2011, bul. № 25. - 6 p.

УДК. 635.21:631.5

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА

О. Н. Кухарев, доктор техн. наук, профессор; Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия; т. (841-2) 628-517, е-таИ:ки^а^@Ьк.ги

В. С. Бочкарев, преподаватель

ГБОУ СПО ПО «Мокшанский агротехнологический колледж», Россия

Представлены методика и результаты исследований машины для сортировки клубней картофеля в условиях производства. Машина разработана и изготовлена в ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» совместно с ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк). Цель исследований обоснование применения машины для сортировки клубней картофеля, а также уточнение оптимальных конструктивных и режимных параметров работы машины в условиях производства. Поставленная цель предусматривала решение двух задач: изучение зависимости точности сортировки клубней картофеля от высоты сегментных упоров и угла наклона барабанного рабочего органа относительно горизонтали и определение количества травмированных клубней картофеля в результате сортировки машиной с барабанным рабочим органом. Исследования машины в условиях производства проводили экспериментальным методом в соответствии с СТО АИСТ 8.5- 2010.

Ключевые слова: клубень, картофель, машинная сортировка, барабанный рабочий орган, точность сортировки, качество сортировки.

Цель исследований - обоснование применения машины для сортировки клубней картофеля, а также уточнение оптимальных конструктивных и режимных параметров работы машины в условиях производства.

Процесс сортировки клубней картофеля является одним из важнейших в его производстве. Правильное разделение картофельной массы на фракции, дает оптимальный уровень его использования в производстве. Например от качества фракци-