Монография рекомендовано к изданию Ученым советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет
 Скачать 7.64 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» В.П. ПОПОВ, В.А. ГРУЗИНЦЕВА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СУШКИ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ МОНОГРАФИЯ Рекомендовано к изданию Ученым советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Оренбург 2008 УДК 664.692.7 ББК 36.83 58 Рецензенты: доктор технических наук, профессор А.А. Аверкиев доктор биологических наук, профессор С.А. Мирошников Попов В.П. 58Проектирование технологического процесса сушки макаронных изделий: монография / В.П. Попов, В.А. Грузинцева. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. – 141 с. ISBN монографии рассмотрены теоретические и практические аспекты совершенствования технологического процесса сушки макаронных изделий. Монография предназначена для научных работников, конструкторов и эксплуатационников сушильного оборудования, преподавателей, аспирантов, студентов старших курсов, занимающихся исследованием технологического процесса сушки макаронных изделий и проектированием новых ресурсосберегающих технологий, позволяющих получить высококачественный продукт. ББК 36.83 4001040000 ISBN © Попов В.П., Грузинцева В.А., 2008 © ГОУ ОГУ, 2008 2 Содержание Введение…………………………………………………………………….....5 1 Современные взгляды на процесс удаления влаги из макарон………………………………………………………………………….……6 1.1 Проблема обеспечения качества макаронных изделий при их сушке…………………………………………………………………………………6 1.2 Состояние изученности процесса сушки, анализ существующих моделей процесса сушки и методов их получения………………………….…...10 1.3 Методы оптимизации технологических процессов………....…........18 Анализ существующих технологий и оборудования для сушки макаронных изделий……………..……………………………………….………..22 1 Обзор технологий и применяемого оборудования……………….…..22 2 Средства автоматизации технологии………………………………….30 Математическая модель процесса сушки макаронных изде- лий…………………………………………………………………...………………32 1 Анализ растрескивания упруго пластического материала…………..32 2 Методика построения математической модели процесса сушки макаронных изделий на основе теории трещинообразования……………...…...38 Эмпирическое исследование процесса сушки макаронных изделий…………………………………………………………………...…………45 1 Методики исследований свойств полуфабрикатов и готовых изделий……...............................................................................................................45 4.2 Модернизация метода изучения структуры макаронных изделий……………………………………………………………………...………57 4.3 Математические методы обработки результатов измерений….……60 4.4 Анализ процесса сушки макаронных изделий…………..…….….….64 Методология оптимизации параметров процесса сушки и сушильного оборудования……………………………………………………...…………….….74 1 Структурная схема управления процессом сушки макаронных изделий.......................................................................................................................74 2 Определение оптимальных значений параметров процесса сушки………………………………………………………………………...……...76 Автоматизация технологического процесса сушки длинных макарон- ных изделий…………………………………………………………………..…….88 1 Алгоритм управления процессом сушки в автоматизированных системах производства длинных макаронных изделий………………..………..88 2 Установка для сушки длинных макаронных изделий подвесным способом…………………………………………………………...………………..93 3 Устройство для испытания пищевых материалов на растяжение...…95 Заключение …………………………………………………………………..98 Список использованных источников……………………………...……....100 3 Приложение А. Определение зависимости коэффициентов α, К1 и К от выходного значения относительного удлинения при растяжении полуфабрикатов………………………………………………………………...…104 Приложение Б. Графоаналитические зависимости органолептических свойств полуфабрикатов по результатам экспертной оценки от исходных факторов (управляющих воздействий и возмущений) для каждого этапа сушки……………………………………………………………...……………….106 Приложение В. Графоаналитические зависимости комплексного показателя качества от исходных факторов (управляющих воздействий и возмущений) для каждого этапа сушки…………………………………………117 Приложение Г. Графоаналитические зависимости удельных затрат энергии от исходных факторов (управляющих воздействий и возмущений) для каждого этапа сушки……………………………………………………………..128 Приложение Д. Графоаналитические зависимости относительного удлинения полуфабрикатов в конце каждого этапа сушки от исходных факторов (управляющих воздействий и возмущений)……………...………….139 4 Введение Настоящими макаронными изделиями называется продукт, полученный формованием смеси муки и воды, который имеет при массовой доле влаги 12-13 % желтый цвет, хороший вид, специфический запах и вкус, полное отсутствие трещин и подгорелостей. В настоящее время при жесткой конкуренции на рынке сбыта актуальной проблемой всех макаронных фабрик является получение продукта высокого качества. Наиболее продолжительной и важной стадией производства, температурные режимы которой оказывают влияние на качество продукта, является сушка. От правильности проведения процесса сушки напрямую зависят такие показатели качества, как прочность и цвет готовых макаронных изделий, количество сухих веществ, перешедших в воду при варке изделий, степень слипаемости и удельная прочность сваренных изделий. Нарушение технологического регламента сушки макарон приводит к закисанию, плесневению и растрескиванию изделий. Прогрессивные методы сушки макаронных изделий внедряются в производство благодаря трудам Г.М. Медведева , М.Е. Чернова, Н.И. Назарова, Л. Милатовича, G. Mondelli, однако в настоящее время: сушка макаронных изделий производится исключительно по рациональным режимам, так как объективные технологические и технические трудности не позволяют осуществить работу оборудования в оптимальном режиме; производится частичная автоматизация отдельных рациональных режимов сушки, причем при её проведении не учитываются качественные изменения в полуфабрикатах в процессе потери влаги. В связи с вышеизложенным, является актуальной оптимизация значений параметров технологического процесса сушки макаронных изделий с использованием ресурсосберегающих режимов, позволяющих получать высококачественные изделия всех видов. В трудах Н.Е. Нетушила, Ж.М. Курбанова, А.М. Остапенкова, D.L. Griffith проблема качества макаронных изделий напрямую связана с процессом трещинообразования при их сушке. Поэтому является актуальной дальнейшая разработка теории трещинообразования применительно к процессу потери влаги макаронными изделиями с целью создания новых эффективных систем управления процессом сушки. Инновационное моделирование технологических стадий при производстве макаронных изделий создает предпосылки для улучшения конкурентоспособности производимого продукта на рынке. Полученные при этом результаты обеспечивают активное участие управляющих алгоритмов в формировании технологии путем попутного решения проблем разработки оптимальных технологических инструкций и оптимального проектирования производственных стадий с позиций их последующего функционирования в оптимальном режиме. 5 1 Современные взгляды на процесс удаления влаги из макарон 1.1 Проблема обеспечения качества макаронных изделий при их сушке Макаронные изделия являются одной из важнейших составляющих рациона питания человека. Их высокая питательная ценность обусловлена содержанием в изделиях до 12 % белка, 75 % крахмала, около 13 % воды. 100 г макаронных изделий практически полностью удовлетворяют суточную потребность человека в белках и углеводах (кроме лизина). Под качеством макаронных изделий понимается «совокупность свойств продукции, обуславливающих её пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с её назначением». Пищевые продукты характеризуются рядом свойств, имеющих определенную количественную характеристику, которые называются показателями качества продукции. Основными показателями качества макаронных изделий являются: 1) для сухих изделий: внешний вид, влажность, кислотность, прочность; для сваренных изделий: вкус и запах. При этом внешний вид характеризуется цветом, состоянием поверхности (степень гладкости), изломом (степень стекловидности), формой (степень правильности). Влажность, кислотность и прочность сухих изделий определяют физико-химическими методами, а остальные вышеуказанные показатели качества - органолептическими. Кроме того, ряд исследователей, например, Г.М. Медведев, Н.И. Назаров рекомендуют характеризовать варочные свойства макаронных изделий по следующим физико-химическим показателям: длительность варки до готовности; количество поглощенной при варке воды; потери сухих веществ при варке; прочность и степень слипаемости сваренных изделий. макаронном производстве существует большое количество физико-химических показателей. Следует отметить, что улучшение одного из них приводит к ухудшению другого, а методы оценки показателей разнообразны и необъективны. Сушка является теплопотребляющим технологическим процессом, в результате осуществления которого получают промежуточную, а чаще товарную продукцию. Реализация этого процесса сопряжена с изменением теплового состояния вещества при регламентированном тепловом воздействии на исходный материал посредством тепло- и массопереноса. Процесс сушки это сложный комплекс физико-химических, биохимических и реологических изменений высушиваемого материала. Поэтому нельзя рассматривать 6 проблемы плохого качества макаронных изделий без учета всех этих изменений в процессе их изготовления. Одним из наиболее значимых недостатков качества макаронных изделий, появляющихся при их сушке, является возникновение трещин. Известны несколько теорий предельных состояний, которые рассматривают появление трещин как следствие возникновения внутренних напряжений в изделиях. Первая теория прочности учитывает только наибольшие нормальные напряжения и предполагает, что предельное состояние наступает тогда, когда они достигают некоторого критического значения, независимо от величины других напряжений. Известно, что при сколь угодно равномерном всестороннем давлении материалы не разрушаются и практически не деформируются. Поэтому эта теория не пригодна для определения условий, при которых начинается пластическая деформация или наступает разрушение материала. Вторая теория прочности предполагает, что начало разрушения наступает при достижении максимальными касательными напряжениями определенной величины
Это выражение обычно называют условием пластичности Сен-Венана. Вторая теория прочности не учитывает влияния средних главных напряжений и нормального напряжения в плоскости сдвига, а также не во всех случаях правильно описывает условие наступления пластической деформации, т.к. установлено расхождение в пределах разрушения при растяжении и сдвиге. Проведенные опыты показали, что эта теория подходит лишь для предельных состояний чистых металлов. Согласно третьей теории прочности наступление предельных состояний определяется некоторой постоянной величиной наибольших положительных упругих удлинений, подсчитанных по формуле
Эксперименты показывают, что эта теория может быть рекомендована для определения предельного состояния хрупких тел. Однако в США эта теория была применена для анализа появления трещин при сушке макаронных изделий. Макароны принимались за полый цилиндр. Так как эксперименты были проведены с деформациями изгиба макаронной трубки, то растягивающие напряжения определялись в трех направлениях: радиальном, тангенциальном и линейном вдоль образующей. Распределение влажности принималось по закону экспоненты. Полученные соотношения прямой экспериментальной проверке не подвергались, кроме того, касательные напряжения не учитывались, несмотря на то, что в 7 деформации изгиба имеются деформации сдвига, также не учитывались пластические свойства макаронного теста (макаронная трубка принималась за идеально упругое тело). результате этого полученные соотношения не удалось применить для определения перепада влажности. По четвертой теории прочности предельное состояние наступает после накопления материалом некоторой, постоянной по величине, потенциальной энергии изменения формы. Условие достижения предельного состояния дается этой теорией в следующем виде
Это условие известно как условие пластичности Мизеса –Генки. Оно представляет собой по физическому смыслу потенциальную энергию упругой деформации, запасенную в материале. Из приведенного условия видно, что четвертая теория прочности связывает наступление предельного состояния с разностями главных напряжений, т.е. по существу, опять с касательными напряжениями, но не с максимальными (как это принято во второй теории прочности). А также с так называемым октаэдрическим напряжением, действующим в плоскости, равно наклоненной ко всем трем главным осям, и выражаемым через разности главных напряжений следующим образом
Таким образом, четвертая теория прочности учитывает влияние среднего главного напряжения, но не учитывает влияния нормального напряжения в плоскости сдвига. Фридрих Эчер привел единую теорию прочности о двух видах разрушения, обусловленных различными по своей природе напряжениями: приведенными напряжениями для случаев хрупкого разрушения и максимальными касательными напряжениями для пластического разрушения. Единая теория прочности исходит из следующих положений: каждый материал может разрушаться хрупко от нормальных напряжений или пластически от касательных напряжений в зависимости от характера напряженного состояния. Таким образом, применительно к процессу сушки можно применить две теории растрескивания упруго-пластического материала. Согласно первой гипотезе, растрескивание связано с возникновением предельных нормальных напряжений, а согласно второй – с возникновением предельных касательных напряжений. 8 Для материалов с «пониженными» структурно-механическими характеристиками, т.е. склонных к образованию трещин важную роль играют явления усадки и развития общей деформации, причем в зависимости от свойств материала могут развиваться как упругие, так и пластические деформации. Таким образом, проблема улучшения качества макаронных изделий не может быть решена без учета реологических преобразований в процессе их сушки. Сушка макаронных изделий одна из основных стадий формирования их качества. Многие исследователи занимались совершенствованием процесса сушки с целью как улучшения качества макаронных изделий, так и снижения удельных затрат энергии на проведение процесса высушивания. Назаров Н.И. и другие предлагали проводить гигротермическую обработку изделий перед сушкой (обработку паром) для заваривания клейковинного каркаса. При этом наблюдается снижение связи влаги с денатурированными белками, кристаллизация и частичная клейстеризация крахмала. Качество изделий повышается за счет приобретения ими прозрачности и глянцевой поверхности, вызванной кристаллизацией и клейстеризацией крахмала, повышения прочности клейковинного каркаса, вызванной денатурацией белков. Энергоемкость дальнейшего процесса сушки снижается вследствие ослабления энергии связи влаги с денатурированными белками. Медведевым Г.М. совместно с А.Аль Сайедом установлено, что для предотвращения трещинообразования, приводящего к изменению качества является целесообразным производить высушивание макаронных изделий в поле токов СВЧ. При таком высушивании материал разогревается равномерно по всей толщине и наблюдается равномерное сокращение слоев изделий. Арапов В.М. и другие обосновывают необходимость быстрого разогрева на начальном этапе сушки для снижения общей энергоемкости процесса. Лыков А.В. и Савина И.М. указывают на быстрый разогрев изделий под воздействием инфракрасного облучения. Функционирование систем автоматики и автоматизации основано на получении и переработке информации о ходе процесса. По данным М.М. Благовещенской, В.А. Соколова, Г.А. Гуляева, А.М. Гордона, В.Ф. Коробко и других авторов, в настоящее время степень автоматизации тепломассообменных процессов, являющихся основой технологического процесса переработки пищевых продуктов, допускает существование резервов для повышения качества продукции, снижения трудоемкости, энергетических сырьевых затрат. Эффективное функционирование поточных линий производства макаронных изделий обеспечивается за счет надежной работы систем автоматического контроля и регулирования технологических процессов управления механизмами аппаратов линии. В настоящее время при автоматизации технологических линий для процесса сушки используются в основном замкнутые системы автоматического регулирования – цепочка «переменная – регулятор» представляет собой обратную связь по отношению к объекту. Объектом сушки является макаронный полуфабрикат, основные 9 контролируемые параметры - температура изделий, температура и относительная влажность сушильного воздуха. Но современные системы управления процессом сушки не обеспечивают достаточного качества макаронных изделий, а в настоящее время, при жесткой конкуренции на рынке сбыта проблема улучшения качества становится наиболее актуальной. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||