ЭКСТРУЗИОННАЯ УСТАНОВКА ОДНОШНЕКОВАЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИЩЕВОЙ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Установка применяется в пищевой и комбикормовой промышленности и относится к оборудованию, предназначенному для технологического процесса обработки сырья, изготовления пищевой продукции или животноводческой продукции (кормов).
Установка экструзионная одношнековая предназначена для переработки зернового и зернобобового сырья с целью получения продуктов питания, непосредственно готовых к употреблению, а так же полуфабрикатов.
Дополнительные технологические операции по подготовке сырья существенно усложняют и удорожают процесс его переработки. Принципиально важно упростить и расширить требования к сырью перед его переработкой.
При этом необходимо подготовить для дальнейшего использования грубое сырье, которое остается после переработки зерновых и зернобобовых культур, таких как зерно и крупа. При переработке таких культур остаются отходы основного производства, такие как отруби, шроты и т.п., которые необходимо использовать наиболее эффективно, обеспечивая безотходное производство. Чаще всего, для извлечения наибольшего количества полезных свойств из грубого сырья, требуется воздействовать на него тепловым и механическим способом для придания сырью удобных и пригодных для использования свойств.
Данный процесс является технологически сложным, энергозатратным и, кроме того, в известных стандартных установках требующий дополнительных технологических операций по подготовке такого сырья при дальнейшей тепловой и механической переработке.
Для существующих установок сырье должно быть предварительно увлажнено не менее чем до 22% влажности, в противном случае на выходе из формирующей матрицы экструдера получат не эластичный жгут, который потом можно нарезать на порции, а рассыпчатую смесь, которую трудно сформировать в аккуратные порции. Актуальной является возможность использования сырья влажностью 14-15% и менее без потери качества продукции. Для этого необходимо получить на этапе пластификации более равномерное истечение жгута на выходе, а также отсутствие неоднородности массы жгута.
Поскольку в результате технологических погрешностей при сборке установки, плохо подогнанным узлам и большим зазорам в экструзионном узле, а также перегрева, а следовательно, большей потери влаги в истекающей продукции при прохождении формующей матрицы, в узле экструдера возникают пульсации. Это приводит к тому, что формующая матрица такой установки не обеспечивает стабильное истечение продукта на выходе, что, в свою очередь, приводит к неравномерному жгуту, из которого формируют порции, а, следовательно, к невозможности обеспечить одинаковые порции продукта.
Поскольку обработка сырья и производство продукции в экструзионной установке характеризуется непрерывным в потоке, кратковременным, интенсивным тепловым и механическим воздействием на сырье, то это воздействие должно быть равномерным в течение всего процесса экструзии.
Однако нестабильность истечения продукта также оказывает негативное воздействие на качество самого продукта, поскольку нарушается равномерность его обработки при прохождении через зоны шнека экструдера.
Кроме того, известные экструдеры не допускают в сырье пылевидную фракцию или наоборот, большие частицы и предъявляют повышенные требования к точности получения фракций сырья, иными словами, размер частиц в загружаемой фракции должен быть одинаков, не допускается попадание слишком больших или малых по размеру частиц. Не соответствующая требованиям подготовка сырья для экструдера также приводит к неравномерности обработки сырья.
Наиболее эффективным для современного животноводства является использование кормосмесей, состоящих из разнородных по физико-химическому составу кормов. Однако в известных экструзионных установках обеспечивают экструзию смеси из разнородных компонентов дорогостоящими технологическими приемами. Для этого применяют метод сухой экструзии, при котором нагрев экструдируемого материала происходит за счет внутреннего трения и трения о ствол экструдера. В современных экструдерах, в зависимости от характера обрабатываемого материала температура обычно достигает 200°С, а давление - 4-5 МПа. Обрабатываемый материал находится в экструдере 30-90 секунд. За время прохождения через экструдер смесь стерилизуется и происходит обеззараживание от болезнетворных микроорганизмов, грибков, плесени. Далее смесь гомогенизируется в процессе измельчения и перемешивания сырья в стволе экструдера и затем увеличивается в объеме вследствие разрыва молекулярных цепочек крахмала и стенок клеток при выходе из экструдера. При этом смесь стабилизируется (нейтрализуется действие ферментов, вызывающих прогорание продукта, таких, как липаза и липоксигеназа, инактивируются антипитательные факторы, токсины) и обезвоживается. Если при подаче смесь имеет малую влажность, то на выходе из экструдера в ней еще дополнительно снижается влажность от исходной.
Из уровня техники известно изобретение «Способ производства экструдированного пищевого продукта из материала, содержащего пищевые волокна, иэкструдер», патент RU 2172115, опубл. 20.08.2001, МПК A23L 1/18, A23L 1/308, А23Р 1/12, А23Р 1/14, А21С 3/04, В29С 47/30, содержащий несколько последовательно установленных фильерных матриц с образованием между матрицами полости. Позволяет упростить процесс формообразования продукта при снижении скорости выхода экструдата и, как следствие, улучшение внешнего вида продукта и снижение потерь на некондиционный товар, возникающих при больших скоростях. Однако не снижает требования к физико-химическим свойствам сырья за счет более тщательного перемешивания экструдата и равномерного его выхода из формующей матрицы.
Известно изобретение «Экструдер с дорном», патент RU 2450924, публ. 20.05.2012, МПК В29С 47/12, А23Р 1/12, содержащий станину, рабочую камеру, шнек с приводом, дорн с приводом, и дорн имеет цилиндрическую часть, снабженную ножами. Относится к оборудованию для производства экструдированных белковых текстуратов из растительного сырья в пищевой промышленности, а также для экструзионной обработки комбикормов на комбикормовых заводах. Позволяет осуществлять операции измельчения до молекулярного уровня и обеспечить повышение качества готового продукта за счет более глубокого термомеханического воздействия. Однако не решает задачу получения более однородного жгута с равномерным выходом из экструдера. Кроме того, дор является сложной технологической деталью, для которой необходим дополнительный двигатель. Более того, сам дорн не перемешивает смесь, а на него крепятся ножи, что также усложняет получение равномерного выхода жгута из экструдера, а, следовательно, ужесточает требования к физико-химическим свойствам сырья при переработке его основных компонентов.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Экструдер с термообработкой для производства биополимеров», патент RU 2160550 опубл. 20.12.2000, МПК А23Р 1/12, В29С 47/00, В30В 11/22, конвенционный приоритет 29.07.1993 DE Р 4325514.0, содержащий пластины с отверстиями, вращающийся по поверхности пластины с отверстиями лопаточный элемент, и расположенный под острым углом 0-90° относительно пластины с отверстиями. Позволяет бороться с плохим перемешиванием. Позволяет добиться хорошей управляемости процессом перемешивания при высокой скорости реакции гомогенизации, что позволяет добиться однородности смеси. Однако изобретение относится к двухшнековому экструдеру, предназначенному для производства термообработанных биополимеров. В связи с этим не может быть применен для одношнекового экструдера при изготовлении пищевой или животноводческой продукции. В изобретении используют сложную конфигурацию лопаток, что приводит к существенному удорожанию изготовления экструдера, кроме того, требует дополнительного лопаточного насоса.
Предлагаемое техническое решение одношнекового экструдера позволяет достичь в качестве технического результата преодоления недостатков известных экструзионных установок, предъявляющих завышенные требования к подготовке сырья, позволяет расширить диапазон характеристик физико-химических свойств сырья при переработке в экструдере за счет лучшей гомогенизации и равномерного жгута на выходе из экструдера.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что одношнековая, экструзионная установка содержит экструзионный узел, состоящий из стального корпуса с цилиндрическим отверстием, внутри корпуса расположен шнек с возможностью вращения, корпус снабжен с диаметральной стороны окном для подачи сырья, а с торцевой стороны соединен с формующей матрицей для создания давления и формирования непрерывного жгута продукта требуемого размера и формы через пластину с отверстиями. Новым является то, что шнек выполнен с центральным осевым отверстием, дополнительно перед предматричным пространством формующей матрицы размещен турбоузел, в турбоузле размещено не менее двух пластин с отверстиями, расположенными на расстоянии друг от друга, образующих пресс- решетку, ограниченную корпусом турбоузла, являющегося продолжением поверхности корпуса экструзионного узла. Первая по направлению продвижения экструзионной массы пластина неподвижно закреплена на торцевой поверхности корпуса экструзионного узла, выходной диаметр которого равен габаритному размеру зоны с отверстиями в пластине, вторая по направлению продвижения экструзионной массы пластина неподвижно закреплена на торцевой поверхности экструзионного узла, предматричное пространство которого имеет входной диаметр, равный габаритному размеру зоны с отверстиями в пластине, и обе пластины образуют пресс-решетку, внутри которой размещен кач-болт с возможностью его вращения вокруг продольной оси, выполненный в виде вала с не менее одной поперечиной на конце, жестко закрепленной на оси вала кач-болта и поперечина размещена между пластинами. На вал кач-болта, свободно проходящий через центральное отверстие первой пластины, передают вращательное движение от двигателя экструзионного узла посредством крепления вала в центральном осевом отверстии шнека. При этом двигатель экструзионного узла снабжен частотным преобразователем, а предматричное пространство формующей матрицы выполнено в виде конуса с объемом внутреннего пространства, рассчитанного исходя из объема пресс-решетки. В частном варианте исполнения отверстия пластин пресс-решетки образуют сквозные каналы. Кроме того, первая и вторая пластины пресс-решетки могут быть соединены корпусом турбоузла с возможностью регулировки расстояния между ними. Поперечина кач-болта выполнена различной в сечении формы, например, цилиндрической. При этом поперечина кач-болта может быть закреплена на оси вала кач-болта под углом 90 градусов. Для достижения более равномерной температуры жгута на выходе из экструдера формующая матрица может быть снабжена кожухом с охлаждением. Кач-болтом является болт, с одной стороны которого выполнена перекладина, после которой чистовая поверхность выполняет функцию вала и затем выполнена резьбовая поверхность.
Устройство иллюстрируется чертежами, которые не охватывают все варианты исполнения экструдера.
На Фиг. 1 - показано продольное сечение экструдера в сборе, размещенным на опорно - силовом узле;
На Фиг. 2 - показано сечение по - отдельности пресс-решетка, кач-болт, экструзионный узел и формующая матрица;
На Фиг. 3 - показано продольное сечение в сборе крепления пресс-решетки с креплением кач-болта в шнеке экструзионного узла и крепления пресс-решетки с формующей матрицей;
Экструдер состоит из узла экструзии (1), опорно-силового узла (2), привода электродвигателя (3), дозатора (4) с загрузочный бункером (5), станины (6), режущего устройства (7).
Узел экструзии (1) содержит многозаходный шнек (8), который размещен в многозаходной конической гильзе в опорном стакане (9) и фланцевого корпуса (10). Шнек (8) в передней части имеет центральное осевое отверстие, в котором крепится вал (11) кач-болта (12). Это крепление может быть осуществлено посредством шпонки или вал (11) может проходить через сквозное центральное отверстие шнека (8) и крепиться на фланцевом корпусе (10) узла экструзии (1), например, посредством подшипниковой опоры (см. Фиг. 2). Шнек (8) установлен таким образом, чтобы радиальный зазор между ним и внутренней частью гильзы опорного стакана (9) по всему диаметру был в пределах 0,15-0,2 мм на сторону, а торцевая часть шнека была утоплена за торец гильзы примерно на 0,5-1,5 мм.
На переднем фланце корпуса (10) жестко закреплена первая пластина с отверстиями (13) посредством фланца корпуса турбоузла (14). Турбоузел расположен на конце экструзионного узла (1) и состоит из корпуса турбоузла (14), первой пластины с отверстиями (13), второй пластины с отверстиями (15), расположенными на расстоянии «L» друг от друга и образующие пресс-решетку (16), и кач-болта (12). Пресс-решетка (16) может регулироваться по ее внутреннему объему за счет регулировки расстояния «L». Кач-болт (12) снабжен валом (11), на конце которого расположена поперечина (17). Вал (11) кач-болта (12) может быть выполнен разной длины. Вал (11) входит в центральное осевое отверстие шнека (8) таким образом, чтобы вращение на него передавалось от шнека (8) или непосредственно от привода (З) электродвигателя. Для этого вал (11) закреплен в шнеке (8) посредством шпонок. В зависимости от длины вала (11) он может опираться либо непосредственно на шнек (8), либо на подшипниковый узел, размещенный на фланцевом корпусе (10) и крепиться на торце приводного вала привода (3) электродвигателя. Поперечина (17) выполнена жестко закрепленной на конце кач-болта (12) и имеет форму цилиндра. Поперечина (17) закреплена к валу (11) перпендикулярно, однако это один из возможных вариантов. Поперечина (17) может быть выполнена плоской и иметь заостренные грани, что будет продиктовано, например, жесткостью частиц сырья, которые надо дополнительно размельчить и перемешать. Поперечина (17) размещена между пластинами с отверстиями (13 и 15) по-возможности по средине для более равномерного перемешивания истекающей из экструзионного узла (1) массы и падения давления в пресс-решетке (16) до расчетного. Однако при увеличении скорости вращения шнека (8), для достижения расчетного падения давления в пресс-решетке (16) и для более эффективного перемешивания истекающей массы, поперечина может быть сдвинута к первой пластине (13) или соответственно ко второй пластине (15), что регулируется расположением вала (11) в шнеке (8).
Первая пластина (13) неподвижно закреплена на торцевой поверхности экструзионного узла либо через корпус турбоузла (14), либо непосредственно на фланцевом корпусе (10). Вторая пластина (15) закреплена на торцевой поверхности формующей матрицы (18) и расположена перед матричным пространством «а» матрицы (18). Толщина первой и второй пластин (13 и 15) может быть выполнена как одинаковой, так и у первой пластины (13) толщина может быть больше толщины второй пластины. (15)
Формующая матрица (18) снабжена предматричным пространством «а», имеющим форму конуса с отверстием. Предматричное пространство рассчитано на объем, в который попадает истекающая масса из пресс-решетки (16), таким образом, чтобы истекающая из экструдера масса равномерно продвигалась из фильеры (19) матрицы (18) и объем должен быть равным объему между пластинами (13,15) пресс-решетки (16). Фильера (19) матрицы (18) может быть сборная или одиночная. В сборной фильере (19) дополнительно имеется подогреваемая гильза (20). Вся конструкция, состоящая из фильеры (19), формующей матрицы (18) и пресс-решетки (16) с кач-болтом (12) плотно зажимается прижимным фланцем и привинчивается болтами к переднему крепежному фланцу корпуса опорно-силового узла (2) через фланцевый корпус (10). Сборка из формующей матрицы (18) с предмаитричным пространством «а» и прес-решетка (16) с кач-болтом (12) образуют конструкцию турбоузла (14). При сборке узла экструзии (1) следует обеспечить зазор между кач-болтом (шпателем-кач) (12) и внутренней поверхностью пресс-решетки (16) около 0,5-1,5 мм с каждой стороны.
Привод (3) снабжен электродвигателем (условно не показан), который выполнен в виде асинхронного электродвигателя мощностью 22 кВт с клиноременной передачей от шкива электродвигателя к ведомому шкиву на валу опорно-силового узла (2), и ведущего шкива на валу электродвигателя. При этом электродвигатель снабжен частотным преобразователем, регулирующим скорость вращения вала (21) опорно-силового узла (2).
Данная конструкция реализована в модели экструдера УЭ-1 ЕТМ.
Режущее устройство (7) состоит из асинхронного электродвигателя (22) мощностью 1,1 кВт, ножевого вала (23) с двумя съемными ножами, защитного кожуха и опорной станины (условно не показаны). Станина может быть стационарной или поворотной, в зависимости от комплектации.
Дозатор (4) состоит из бункера (условно не показан), мотора-редуктора (24), шнекового вала, корпуса вала с подшипником (условно не показаны) и приемной воронки (5).
Система нагрева включает в себя электронагреватель, который установлен в экструзионном узле (1) и в фильере (19) формующей матрицы (18).
Экструдер работает следующим образом.
Сырье поступает из дозатора (4) в экструзионный узел (1), далее происходит линейное перемещение исходного сырья вдоль оси вращения шнека (8), перетирание сырья и сжатие сырья с его нагревом в узле экструзии (1). При нагреве сырья в узле экструзии (1) под давлением более 20 Атм вода, входящая в состав сырья в количестве 12-16%, находится в перегретом состоянии при температуре 140-180 C°. Нагрев осуществляется как за счет сжатия сырья, так и, в частном случае, за счет дополнительного нагрева.
Далее под давлением в нагретом состоянии сырье поступает в турбоузел (14). В нем сырье также поступательно перемещается к выходному отверстию фильеры (19). Сначала под давлением сырье продавливается через отверстия первой пластины (13) пресс- решетки (16), попадая во внутренний объем пресс-решетки (16) с понижением давления, там перемешивается поперечиной (17) кач-болта (12), что обеспечивает однородность и лучшее дробление частиц истекающего жгута. Затем жгут выдавливается из отверстий второй пластины (15) в предматричное пространство «а» формующей матрицы (18). Для уменьшения сопротивления при вращении кач-болта (12) с поперечиной (17) каждое отверстие первой и второй пластин (13 и 15) могут быть расположены по одной оси. Кроме того, предматричное пространство «а» рассчитано по объему примерно равным объему пространства в пресс-решетке (16), что обеспечивает равномерность выхода жгута, а также его одинаковую плотность. Кроме того, поскольку привод (3) с электродвигателем снабжен частотным преобразователем, регулирующим скорость вращения вала (21) опорно-силового узла (2), который передает вращение на шнек (8) и далее, соответственно, на кач-болт (12), то скорость подачи истекающего сырья может регулироваться в зависимости от плотности поступающего из дозатора (4) сырья, что существенно снижает требования к физико-химическому составу сырья. При выходе из формующей матрицы экструзионного узла происходит резкое снижение давления до уровня атмосферного и в связи с этим объемное вскипание воды в продукте.
Наличие турбоузла (14), расчетных величин по объему предматричного пространства «а» и пресс-решетки (16), а также возможности регулировки скорости подачи сырья, обеспечено получение результата в виде преодоления недостатков известных экструзионных установок, предъявляющих завышенные требования к подготовке сырья, позволяет расширить диапазон характеристик физико-химических свойств сырья при переработке в экструдере за счет лучшей гомогенизации и улучшить равномерность жгута на выходе из экструдера.
Поскольку метод экструзии является одним из наиболее эффективных и применяемых в комбикормовой промышленности способов обработки зерна, то предлагаемая установка, например, экструдера модификации УЭ-1 ЕТМ, обеспечивает при обработке зернофуража протекание двух непрерывных процессов: механическое и химическое деформирование сырья и взрыв продукта из равномерного по плотности, одинакового по составу жгута, который истекает из фильеры (19) с постоянной скоростью, что обеспечивает одинаковые порции после режущего устройства (7). Наличие подогрева в фильере (19) и формующей матрице (18) обеспечивает также равномерность температуры истекающего жгута, что существенно улучшает конечный продукт, так как порции остывают равномерно.
Конструкция экструдера предложенным с экструзионным узлом и турбоузлом обеспечивает использование полученного продукта повышенной усвояемости с питательным потенциалом крахмала в природной форме сырья, превышающим 20-25% в зависимости от вида культур.
Кроме того, предложенный турбоузел обеспечивает расчетное давление продукта без дополнительного негативного действия напряжений сдвига перед формующей матрицей.
Предложенная технология переработки зерна позволяет обработать исходное сырье таким образом, чтобы в нем перевод крахмала осуществлялся в удобную для усвоения организмом животных форму. Наличие турбоузла позволяет разрушить зернистую структуру крахмала на клеточном уровне, что способствует разрыву природных связей между отдельными составляющими частями и переводу его в более простые углеводы в виде декстринов и Сахаров, то есть желатинизации крахмала или декстринизации его на более простые составляющие.
Процесс экструзии занимает короткий промежуток времени (около 30-60 секунд), однако предложенная конструкция позволяет за это время не только обеспечить проход сырья через несколько стадий обработки: тепловую, стерилизацию, обеззараживание (под воздействием температуры и давления болезнетворные микроорганизмы, грибки, плесени полностью уничтожаются) и увеличение объема, но и повысить энергетическую ценность полученного продукта, за счет измельчения, смешивания, и получения полностью однородного продукта. Поскольку конечный продукт должен быть выпущен в различной физической форме, то важно обеспечить его обезвоживание до заданных величин от исходной влажности, желательно, чтобы влажность составляла примерно 50% от исходной величины. Тогда стабилизация, высокая температура и давление нейтрализуют разрушительное действие ферментов, а это способствует значительному увеличению сроков хранения готовой продукции. Этот эффект достигается за счет возможности оперативно регулировать скорость продвигаемого жгута в зависимости от качества сырья за счет регулировки скорости вращения шнека и кач-болта. Более того, в частном случае, когда вращательное движение на кач-болт получают непосредственно от опорно-силового узла (2) (вал (11) кач болта (12) крепят через подшипниковую опору к торцу приводного вала), то не происходит рассинхронизации вращения шнека (8) и вала (11) кач-болта (12) из-за технологических погрешностей изготовления деталей экструдера.
Поскольку на качество конечного продукта (экструдата) будут влиять конструктивно-режимные параметры экструдера (конструкция корпуса, шнека, фильеры, частота вращения шнека и другое), то указанный выше вариант изготовления предложенной конструкции обеспечивает оптимальную работу экструзионного узла. В предматричной зоне уменьшаются колебания давления, которые возникают в результате усилий сдвига, в связи с этим у матриц, устанавливаемых на экструдеры не требуется осуществлять стабилизацию давления в указанной зоне, поскольку эту функцию частично берет на себя турбоузел.
Таким образом, в предложенной конструкции получают процесс теплой экструзии, позволяющий добиться глубокой переработки полуфабриката при энергосберегающем режиме ведения технологического процесса экструдирования, обеспечивают процесс термопластической экструзии с использованием сырья растительного происхождения с расширенными физико-химическими характеристиками. При этом возникает возможность транспортирования порошков с низкой сыпучестью и насыпной массой.
В известных экструдерах такая возможность затруднена, особенно в одношнековых экструдерах, поскольку протекание процесса обработки пищевого сырья во второй зоне шнека - в зоне - сжатия и образования упруго-пластичной массы во многом определяется физико-химическими свойствами содержащегося в нем крахмала. Этот недостаток в предложенной конструкции преодолен.
Для образования высокопористой структуры конечного продукта на этапе его выпрессовки из экструдера через отверстия фильеры формующей матрицы предложенная конструкция не требует увеличения поперечных размеров экструдата, как это требуют известные конструкции экструдеров.
Таким образом, предложенная конструкция достаточно универсальна, так как может применяться и для методов экструзионной обработки сырья, содержащего крахмал и зернопродукты, трех типов: холодная экструзия, теплая обработка и формование при низком давлении - тепловая экструзия, тепловая обработка и формирование при высоком давлении - горячая экструзия.
Особенно это важно при коротких шнеках, когда во время продвижения сырья вдоль шнека оно не успевает пройти все три стадии: приема сырья; сжатия и образования упруго-пластичной массы. Поэтому наличие турбоузла также обеспечивает в значительно части стадию образования упруго-пластичной массы.