ДВУХШНЕКОВЫЙ ЭКСТРУДЕР
DOUBLE-SCREW EXTRUDER

Изобретение относится к оборудованию для производства экструдированных продуктов из мясорастительного сырья в пищеконцентратной промышленности.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является двухшнековый экструдер [Пат. №2284914, МПК B29C 47/40, A23P 1/12. Двухшнековый экструдер / А.Н. Остриков, А.С. Попов, И.Ю. Соколов (РФ). - №2005112086/12, Заявл. 25.04.2005, Опубл. 10.10.2006, Б.И. №28], содержащий корпус с размещенными в нем шнеками с винтовыми нарезками с одинаковым шагом с возможностью вращения в противоположных направлениях. В зонах загрузки, сжатия и дозирования винтовые нарезки шнеков имеют противоположные направления, а в зоне гомогенизации винтовые нарезки шнеков имеют одинаковое направление. В гребнях нарезки одного из шнеков в направлении, противоположном направлению его винтовой нарезки, выполнены пазы для прохода гребней винтовой нарезки другого шнека. В зоне гомогенизации имеются участки интенсивного сдвига и распределения продукта, причем участок интенсивного сдвига состоит из последовательно повторяющихся шнековых элементов с винтовой нарезкой и нарезкой с пазами, а участок распределения продукта имеет шнековые элементы с винтовой нарезкой и пластифицирующими кулачками, а в зоне дозирования он имеет шнековый элемент с винтовой нарезкой и цилиндроконический дорн.
Двухшнековый экструдер содержит формующий узел, который состоит из промежуточного диска, матрицы, каналообразователя, начинконаполнителя. Начинконаполнитель состоит из полого диска с трубкой для подвода начинки и формующей трубки, обтекателя предматричной зоны. Последний представляет собой усеченный конус с отверстиями для подачи расплава продукта в каналообразователь.
Недостатком известной конструкции экструдера является сложность дополнительного ввода термолабильных компонентов в расплав и осуществление необходимых их физико-химических превращений в процессе экструзионной варки, а также узкий ассортимент выпускаемой продукции.
Технической задачей изобретения является расширение технологических возможностей экструдера по переработке исходного сырья с целью расширения ассортимента выпускаемой продукции и получение более сбалансированных продуктов питания за счет ввода в их состав мясных компонентов.
Поставленная задача достигается тем, в двухшнековом экструдере, новым является то, что каждый шнек содержит две зоны компрессии, между которыми расположена декомпрессионно-экстракционная зона, первая зона компрессии включает три участка: загрузки, сжатия и дозирования, декомпрессионно-экстракционная зона состоит из участка декомпрессии и участка экстракции, вторая зона компрессии включает два участка: гомогенизации и нагнетания, участок декомпрессии декомпрессионно-экстракционной зоны каждого из шнеков представляет собой шесть последовательно установленных кулачков, смещенных друг относительно друга по оси вращения, так что кулачки шнеков синхронизировано контактируют между собой при их вращении, а на участке экстракции вал шнеков выполнен меньшего диаметра, в верхней части корпуса экструдера, расположенной после участка декомпрессии декомпрессионно-экстракционной зоны шнеков, установлен питатель с вертикальным нагнетающим шнеком.
На фиг.1 представлен фронтальный вид двухшнекового экструдера, на фиг.2 - объемное изображение рабочей камеры двухшнекового экструдера, на фиг.3 - объемное изображение шести последовательно установленных и смещенных друг относительно друга по оси вращения кулачков на участке декомпрессии декомпрессионно-экстракционной зоны; на фиг.4 - плоскостное изображение шести кулачков на двух валах на участке декомпрессии декомпрессионно-экстракционной зоны; на фиг.5 - изображение шнека с совмещенными графиками изменения температуры и давления по длине шнека и с указанием всех участков трех зон.
Двухшнековый экструдер (фиг.1 и 2) состоит из загрузочного патрубка 1, корпуса 3, двух шнеков 2, питателя 8 и матрицы 9. В корпусе 3 выполнены каналы 4, в которые через патрубки 14 подается холодный или горячий теплоноситель (в зависимости от требуемого температурного режима). Шнеки 2 приводятся во вращение электродвигателем 13 с помощью цепных звездочек 11, цепи 12 и вариатора 10, который обеспечивает плавное регулирование частоты вращения шнеков 2. Над участком корпуса 3 экструдера, расположенным после участка декомпрессии декомпрессионно-экстракционной зоны, установлен питатель 8 с вертикальным нагнетающим шнеком 7.
Каждый из шнеков 2 состоит из трех зон (фиг.5):
- первой зоны компрессии, которая включает три участка: загрузки, сжатия и дозирования;
- декомпрессионно-экстракционной зоны, которая включает два участка: декомпрессии и экстракции;
- второй зоны компрессии, которая включает два участка: гомогенизации и нагнетания.
На участке загрузки вал и витки шнеков 2 имеют постоянный диаметр (фиг.2 и 5).
На участке сжатия диаметр валов шнеков 2 конически расширяется и витки шнеков 2 выполнены утолщенными для обеспечения необходимого уплотнения и предварительного сжатия исходного сырья (фиг.2 и 5).
На участке дозирования диаметр валов шнеков 2 также конически расширяется, но под меньшим углом (фиг.2 и 5), а витки шнеков 2 выполнены с еще большей толщиной. На этом участке происходит расплав сырья и оно переходит в пластическое состояние.
На участке декомпрессии на валу шнеков 2 находятся шесть последовательно установленных кулачков 5, смещенных друг относительно друга по оси вращения (фиг.3 и 4), так что кулачки 5 шнеков 2 синхронизировано контактируют между собой при их вращении. После кулачков 5 на шнеках 2 установлены греющие шайбы 6, которые способствуют дополнительному разогреву гомогенного расплава.
На участке экстракции валы шнеков 2 выполнены меньшего диаметра (фиг.2 и 5).
На участке гомогенизации диаметры валов шнеков 2 резко конически расширяются (фиг.2 и 5). На этом участке происходит дополнительное плавление продукта с внесенными мясными добавками.
На участке нагнетания витки шнеков 2 выполнены утолщенными для продавливания полученного расплава через отверстия матрицы 9 (фиг.2 и 5).
Конструкция шнеков 2 значительно влияет на рациональный режим работы экструдера. Основную проблему создает возможность вытекания расплава через питатель 8 для подачи мясных компонентов. Поэтому при конструировании шнеков 2 необходимо было исключить появление избыточного давления перед питателем 8 для подачи мясных компонентов. В результате был разработаны трехзонные шнеки 2, каждый из которых содержит две зоны компрессии, между которыми расположена декомпрессионно-экстракционная зона.
Для обеспечения ввода мясных компонентов через питатель 8 необходимо выполнение двух условий. Во-первых, требуется обеспечить давление, равное атмосферному, перед питателем 8. Кроме этого, продукт в этой зоне должен быть полностью расплавлен.
Требование атмосферного давления объясняется необходимостью избежать утечки расплава через питатель 8 для подачи мясных компонентов. Необходимость выполнения второго требования объясняется следующими причинами. Если продукт не полностью расплавлен на участке дозирования, то не будет обеспечено надежное уплотнение между питателем и участком загрузки. Вторая причина, требующая полного расплавления продукта, связана с коэффициентом диффузии, который в значительной степени зависит от температуры. Пока температура продукта ниже температуры плавления, процесс диффузии протекает с низкой скоростью. Поэтому для увеличения скорости диффузии продукт должен находиться в расплавленном состоянии. Кроме того, в расплаве легче протекают процессы турбулизации.
Стабилизацию давления на уровне атмосферного можно обеспечить тем, что расплав не полностью заполняет декомпрессионно-экстракционную зону. Если канал заполнен не полностью, то давление не увеличивается. Для того, чтобы достичь неполного заполнения, глубина декомпрессионно-экстракционной зоны обычно больше, чем глубина участка дозирования, а транспортирующая способность участка гомогенизации должна быть больше, чем транспортирующая способность зоны экстракции [Раувендааль К. Экструзия полимеров / Пер. с англ. Под ред. А.Я. Малкина - СПб.: Профессия, 2006. - 768 с.]. То есть необходимо, чтобы расплав удалялся из декомпрессионно-экстракционной зоны с большей скоростью, чем он в нее поступает. Если транспортирующая способность участка гомогенизации недостаточна, расплав будет возвращаться в зону экстракции, что приведет к утечкам через питатель 8 для подачи мясных компонентов.
Двухшнековый экструдер работает следующим образом.
Включается электродвигатель 13, который с помощью цепных звездочек 11, цепи 12 и вариатора 10 приводит во вращение два шнека 2 (фиг.1).
Исходный продукт через загрузочный патрубок 1 поступает в зону загрузки винтового канала шнеков 2 и увлекается им за счет разницы сил трения между продуктом и стенками корпуса 3 и винтового канала шнеков 2. Затем на участке уплотнения (фиг.5) происходит постепенное уплотнение сырья и частичный расплав его.
Одновременно через патрубки 14 в каналы 4, выполненные в корпусе 3, подается холодный или горячий теплоноситель (в зависимости от требуемого температурного режима).
На участке дозирования продукт окончательно переходит из твердой фазы в вязкопластичную. Здесь происходит плавление в результате преобразования механической энергии рабочих органов экструдера в тепловую энергию за счет внутреннего трения в самом продукте и дополнительного нагрева корпуса 3 за счет подвода теплоты в каналы 4 горячим теплоносителем, подаваемым через патрубки 14. Под действием давления и температуры белки, входящие в состав продукта, подвергаются денатурации, которая представляет собой внутримолекулярное явление, характеризующееся физической перегруппировкой внутренних связей.
Шесть последовательно установленных и смещенных друг относительно друга по оси вращения, вращающихся кулачков 5 (фиг.3 и 4), с одной стороны, обеспечивают значительное термомеханическое воздействие на расплав, а с другой - снижают давление нагнетания. Обрабатываемый продукт подвергается механическому воздействию вращающихся кулачков 5, в результате чего исключается возможность образования «мертвой зоны». Ступенчатые выступы фигурных кулачков 5 синхронизировано контактируют между собой при их вращении, воздействуют на микроструктуру расплава. При этом происходит нарушение упорядоченности внутреннего строения молекулы, количественно определяемое изменением физико-химических свойств белков (растворимости, способности к гидратации, вязкости растворов, устойчивости к действию ферментов, биологической активности и др. [Остриков, А.H. Экструзия в пищевой технологии [Текст] / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.С. Рудометкин. - С.-Пб.: ГИОРД, 2004. - 288 с.].
Затем расплав проходит через узкий кольцевой канал, образованный между наружным диаметром греющих шайб 6 и внутренним диаметром корпуса 3, где подвергается интенсивному механическому воздействию, что также способствует дополнительному разогреву гомогенного расплава.
Затем включается привод (на фиг. не показан) вертикального нагнетающего шнека 7, расположенного в питателе 8. И в зону экстракции в полученный гомогенный расплав вводятся различные термолабильные компоненты (например, сушеное мясо).
После прохождения участка нагнетания готовый продукт выдавливается через отверстия, расположенные в матрице 9. При этом, он имеет пористую структуру с добавлением различных компонентов.
На протяжении всего перемещения продукта происходит регулирование температурного режима с помощью теплоносителей с заданной температурой, подаваемых через патрубки 14 в каналы 4.
Таким образом, использование изобретения позволит:
- расширить технологические возможности экструдера по производству эктрудированных продуктов различного поликомпонентного состава;
- обеспечить необходимую глубину физико-химических превращений компонентов обрабатываемого продукта за счет регулирования теплоподвода и механического воздействия установленных кулачков 5 и греющих шайб 6.