Удосконалення технології переробки та зберігання соєвого жмиху

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Ефективна переробка та зберігання продуктів рослинництва, а також одержання з них високоякісних продуктів - є важливою задачею на сьогоднішній день. Зростання попиту за останні роки на соєвий жмих викликало необхідність розробки та удосконалення технології його ефективного використання. Наявність у соєвому жмиху антипоживних речовин значною мірою знижує його якісні показники й скорочує діапазон його застосування.

Існуючі технології характеризуються низьким рівнем інактивації антипоживних речовин, високою вартістю, енергоємністю процесу, а також погіршенням поживних властивостей інших компонентів продукту. Одержання продукту, який відповідає сучасним нормам і вимогам за вмістом антипоживних речовин з високими якісними й поживними показниками вимагає додаткових теоретичних й експериментальних досліджень.

Необхідність розробки технологічного процесу та обладнання інактивації антипоживних речовин у соєвому жмиху, оптимізації робочих параметрів і режимів обробки, які сприяють одержанню продукту з високими поживними властивостями обумовило актуальність даної роботи.

У виконанні науково-дослідних робіт роль автора полягає у визначенні факторів, що впливають на процес переробки та зберігання соєвого жмиху, розробці технологічного обладнання, оптимізації параметрів й режимів процесу переробки, що підвищують ефективність зберігання та поліпшують якісні показники готового продукту.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи полягала в удосконаленні технологічного процесу та обладнання з переробки та зберігання соєвого жмиху з метою підвищення якісних показників продукту.

Для досягнення поставленої мети передбачалося:

- дослідити і теоретично обґрунтувати технологічний процес обробки соєвого жмиху методом термовологої екструзії;

- виявити і вивчити основні фактори, що впливають на процес інактивації антипоживних речовин у соєвому жмиху;

- визначити закономірності впливу режимів та параметрів термовологої обробки на якісні показники готового продукту;

- за результатами теоретичних і практичних досліджень удосконалити обладнання й технологічний процес переробки та зберігання соєвого жмиху;

- оптимізувати параметри і режими процесу термовологої екструзії, що сприяє одержанню продукту з високими якісними показниками;

- провести оцінку якісних та мікробіологічних показників обробленого продукту;

- на підставі отриманих результатів дослідження дати відповідні пропозиції виробництву.

1. Огляд літератури за темою дисертації, у ході якого вивчені біологічні і фізико-хімічні характеристики соєвої культури

Розглянуто основні напрямки і технологічні схеми переробки соєвої сировини. Відзначено високі якісні характеристики соєвого жмиху, одержуваного в процесі олійного виробництва. Однак наявність у жмиху антипоживних речовин значно знижує його цінність і ефективність використання продукту, що викликає необхідність у його додатковій обробці.

Проведено аналіз існуючих методів інактивації, що розділяються на: фізичні, хімічні, біологічні і селекційно-генетичні. Виявлено переваги і недоліки кожного методу. Із зазначених методів найбільше поширення одержали методи, засновані на тепловому і термовологому впливі на оброблюваний продукт.

Аналіз літературних даних дозволив зробити висновок про відсутність ефективного обладнання, технології, режимів і параметрів процесу інактивації антипоживних речовин у соєвому жмиху.

Враховуючи це, була сформульована мета роботи і визначені напрямки досліджень.

2. Результати теоретичних досліджень процесу термовологої екструзії

Розглянуто існуючі конструкції екструдерів, їх геометричні й експлуатаційні параметри.

У ході дослідження були вивчені загальні закономірності й особливості руху матеріалу в шнековому каналі екструдера, а також вплив конструкційних параметрів установки на якісні показники готового продукту. Виявлено загальні закономірності процесу термовологої екструзійної обробки соєвого жмиху. На підставі виявлених закономірностей було запропоновано рівняння продуктивності, що відображає оптимальний вибір параметрів і конструкції кожної зони, їхнє співвідношення.

Для визначення продуктивності зони завантаження запропонована спрощена плоско-рівнобіжна модель, відповідно до якої плоска пластина розгортки циліндра рухається над розгорткою каналу черв'яка під кутом ц до його поздовжньої осі зі швидкістю V.

Внаслідок переміщення “пробки” матеріалу вздовж каналу черв'яка з відносною швидкістю Vч, швидкість переміщення “пробки” щодо циліндра Vц, повинна мати напрямок під кутом и до напрямку руху розгортки циліндра. При цьому:

,

де F1 - сила тертя матеріалу об циліндр, що діє в напрямку, зворотному вектору швидкості руху пробки щодо циліндра; F2, F6 - сили тиску на матеріал; F3 - сила тертя, що діє на пробку з боку стінки черв'яка, що штовхає; F4 - сила тертя, що діє на пробку з боку передньої стінки каналу; F5 - сила тертя, що діє з боку дна гвинтового каналу; F7, F8 - нормальні сили, що діють з боку стінок каналу на пробку.

Виходячи із чого, об'ємна продуктивність зони завантаження визначається наступним виразом:

,

де щ - ширина каналу; H1 - глибина каналу в зоні завантаження; ц - кут підйому гвинтової лінії; е - ширина гребеня нарізки; N - частота обертання шнека.

Величина кута и визначається з розподілу тиску по довжині зони завантаження і може бути знайдена як функція перепаду тиску вздовж “пробки”. Для цього розглядаються сили, що діють на елемент “пробки” з урахуванням неізотропності поля тисків.

Подальша обробка обумовлена зміною умов і характеру процесу, що викликає необхідність у рівномірному збільшенні тиску в робочих зонах при заданих температурно-вологих режимах. На практиці це досягається, насамперед, зменшенням об'єму гвинтового каналу та зміною геометричних параметрів шнека по всій його довжині. Для цього застосовуються два підходи:

1. Зменшення об'єму гвинтового каналу в напрямку від завантажувальної лійки до виходу в зоні видавлювання за рахунок зміни кроку вздовж шнека по ходу оброблюваного матеріалу.

2. Зменшення об'єму кожного гвинтового каналу за рахунок зменшення його глибини. Зменшення глибини гвинтового каналу досягається за рахунок зміни діаметра сердечника шнека.

Сукупність приведених факторів сприяє рівномірному збільшенню тиску і глибини процесів, що відбуваються, сприяє кращій переробці матеріалу, його пластикації і гомогенізації, налагодженню стабільності процесу обробки, що в значній мірі відбивається на якісних структурних змінах продукту і його фізико-хімічних властивостях.

Зміна конструктивних параметрів шнека безпосередньо впливає на зміну продуктивності робочих зон. Тим самим, рівняння об'ємної продуктивності зони завантаження неадекватно відображує процеси, що відбуваються, і вимагає введення поправочного коефіцієнта K:

,

де Kh - коефіцієнт, що характеризує зміну глибини гвинтового каналу; Kt - коефіцієнт, що характеризує зміну кроку гвинтового каналу; Ka - коефіцієнт, що враховує зміну фізико-хімічних властивостей матеріалу; Ky - коефіцієнт, що враховує зміну режимів обробки; Kx - поправочний коефіцієнт.

З урахуванням коефіцієнта K рівняння об'ємної продуктивності зони завантаження матиме наступний вид:

.

На підставі отриманого виразу може бути визначена продуктивність інших робочих зон залежно від зміни основних геометричних характеристик шнека й параметрів обробки, що у даному виразі враховуються коефіцієнтом К.

Отримані рівняння використані для розробки проекту експериментального обладнання і дозволяють підібрати оптимальну конструкцію геометричних параметрів шнека в залежності від технологічних режимів обробки.

3. Опис експериментальної установки, порядок і хід проведення експерименту, методи аналізу одержаних результатів

У якості об'єкту дослідження був обраний спосіб інактивації антипоживних речовин у соєвому жмиху методом термовологої екструзії, а предметом дослідження - соєвий жмих, поживні й антипоживні компоненти соєвого жмиху (табл. 1).

Таблиця 1. Основні якісні показники продукту до обробки

У процесі досліджень соєвий жмих піддавався розпушенню, очищався від металевих включень, попередньому нагріванню і частковому стиску в екструдері попередньої обробки, а потім безпосередньо подавався в приймальну камеру екструдера для остаточної обробки.

Оброблюваний матеріал з бункера-дозатора екструдера попередньої обробки надходить у зону завантаження А, на ділянку шнека з найбільшим кроком. Шнек подає оброблюваний матеріал у зону вивантаження В, на ділянку шнека з найменшим кроком. Переміщуючись від зони завантаження А до зони вивантаження В, оброблюваний матеріал частково пресується за рахунок зменшення кроку і вільного об'єму витка шнека. Крім цього, матеріал піддається попередньому нагріванню. Таким чином, відбувається попередня обробка продукту, при якій відбуваються необхідні структурні зміни.

Із зони вивантаження В оброблюваний матеріал через “шлюзовий” бункер надходить у зону завантаження С екструдера остаточної обробки, на ділянку шнека з найбільшим кроком і мінімальним діаметром вала, де матеріал також піддається нагріванню. Шнек підхоплює підігрітий матеріал і подає його в зону попередньої обробки D, де матеріал частково стискається за рахунок збільшення діаметра вала і зменшення кроку шнека, і як наслідок, зменшення вільного об'єму витка шнека. Після чого матеріал надходить у зону обробки Е - зону високого тиску, що створюється на ділянці з максимальним діаметром вала і мінімальним кроком шнека. Процес обробки проходить без доступу повітря, останнє забезпечується за рахунок зменшення об'єму витка шнека і запресовування матеріалу, і при постійному температурному режимі. З останнім витком шнека матеріал виходить із зони обробки Е, де в результаті різкого перепаду тиску і температури відбувається якісне структурне змінення матеріалу.

Завдяки розробленій конструкції екструзійної установки технологічний процес обробки протікає безупинно й у заданих технологічних режимах.

Таким чином, запропонований пристрій сприяє створенню оптимальних умов для проходження заданих процесів і змін у соєвому жмиху, одержанню умовно-стерильного продукту, підвищенню його якісних показників і поліпшенню фізико-механічних властивостей.

Температура в процесі досліджень у зоні інтенсивної обробки змінювалася в межах 90 - 170 оС, тиск - 1 - 3 МПа, вологість продукту в діапазоні 6 - 22 %. Тривалість процесу екструзії змінювали від 14 до 60 с. Добір проб проводився при сталих режимах роботи екструдера остаточної обробки.

4. Результати експериментальних досліджень процесу переробки соєвого жмиху методом термовологої екструзії по запропонованій технології

Встановлено основні технологічні параметри, що впливають на якісні характеристики готового продукту - температура, тривалість обробки, вологість продукту й тиск, що розвивається в екструдері остаточної обробки.

Як показали дослідження, інактивація інгібітору трипсину починається вже з температури 90С, що плавно зростає пропорційно підвищенню температури. У діапазоні 105-110С відбувається різкий стрибок, і інактивація відбувається значно швидше. Слід зазначити, що бар'єр припустимого рівня вмісту інгібітору трипсину досягається при 110С. Після досягнення температури обробки 125С процес інактивації стабілізується, а подальше збільшення температури до помітних змін не приводить.

Зниження активності уреази під дією температури має більш рівномірний і прямолінійний характер у порівнянні із процесом інактивації інгібітору трипсину. Фермент уреази в ході обробки руйнується до припустимих значень вже при температурі 115С, де активність уреази склала 0,1 од. рН, після чого характер інактивації приймає менш інтенсивний характер. При температурі 135С було досягнуто мінімальне значення рівня активності уреази - 0,04 од. рН. Аналізуючи отримані данні, можна зробити висновок, що діапазон температурних режимів у процесі термовологої обробки повинен знаходитися в інтервалі 120 - 130С.

В результаті аналізу отриманих даних, було встановлено, що екструзійна обробка в діапазоні до 24 с характеризується зниженням рівня інгібітору трипсину, однак не сприяє його руйнуванню до припустимих норм. Найбільш активне руйнування інгібітору трипсину відбувається в інтервалі 24-28 с. Подальше збільшення періоду перебування жмиху в екструдері остаточної обробки понад 28 с до значного зниження рівня інгібітору трипсину не приводить.

Період інактивації уреази в порівнянні з періодом інактивації інгібітору трипсину має практично однакову межу і коливається в інтервалі 26-30 с, хоча даний процес починається дещо пізніше. Необхідний рівень інактивації досягається при 26 с проти 24 с припустимого рівня інактивації інгібітору трипсину. Подальше збільшення тривалості обробки (понад 32 с) істотно не впливає на зміну активності уреази. Таким чином, аналізуючи отримані дані, можна зробити висновок, що оптимальний період перебування продукту в екструдері для інактивації антипоживних речовин до необхідних показників знаходиться в межах 26-30 с.

Отримані дані свідчать про те, що підвищення вологості не приводить до інактивації антипоживних речовин, а навпаки, сприяє збільшенню їхнього вмісту. Так, при збільшенні вологості спостерігається інтенсивне зростання рівня інгібітору трипсину. Припустимий рівень вмісту інгібітору трипсину наступає вже при 10 % вологості, а в інтервалі 10 - 13 % спостерігається різкий стрибок його вмісту практично в 2 рази. Після чого настає більш рівномірне збільшення вмісту антитрипсину. При вологості 20 % рівень вмісту інгібітору трипсину практично досягає рівня необробленого продукту, що зводить до мінімуму ефективність екструзійної обробки.

Залежність активності уреази від вологості продукту характеризується більш рівномірним збільшенням, ніж інгібітору трипсину. Крайня межа припустимих значень вологості знаходиться в межі 11,5 %. При вологості обробки 20 % процес екструзії практично не впливає на зниження активності уреази. Враховуючи це, можна зробити висновок, що для одержання необхідної інактивації антипоживних речовин, вологість у процесі обробки не повинна перевищувати 10 %, а для досягнення максимального ефекту знаходиться в межах 6 %.

Зі збільшенням тиску інактивація антипоживних речовин проходить швидше, що скорочує час перебування матеріалу в зоні високої температури, тим самим зберігає корисні властивості продукту. Із зростанням тиску відбувається скорочення тривалості обробки. Припустимий рівень вмісту інгібітору трипсину досягається вже при 20 с обробки, а активності уреази при 22 с з тиском в 3 МПа, що розвивається в екструдері остаточної обробки. У середньому, час інактивації шкідливих речовин скорочується на 4 с, а оптимальні параметри тиску при термовологій обробці знаходяться на рівні 3 МПа. У даних умовах швидше відбувається інактивація антипоживних речовин до необхідного рівня при обопільному зменшенні негативного впливу високої температури й вологості на складові компоненти соєвого жмиху. В результаті чого підвищується якість як окремих елементів, так і всього продукту в цілому.

Обробка соєвого жмиху в заданих умовах сприяє інактивації антипоживних речовин до необхідного рівня, одержанню умовно-стерильного продукту без втрати його основних якісних характеристик (табл. 2).

Таблиця 2. Основні якісні показники продукту після обробки

Таким чином, в результаті проведених досліджень, визначені оптимальні параметри процесу термовологої екструзії: температура процесу обробки - 120С; тривалість процесу обробки - 28 с; тиск, що розвивається в екструдері остаточної обробки - 3 МПа; вологість продукту в процесі обробки - 6 %.

Крім того, були проведені дослідження з вивчення терміну зберігання обробленого продукту запропонованим способом. В результаті чого було встановлено, що обробка соєвого жмиху в зазначених технологічних режимах дозволяє зберігати одержуваний продукт до 6 місяців без значної втрати його біологічної цінності.

5. Економічний аналіз розробленої технології переробки та зберігання соєвого жмиху

Розглянуто морфологічну модель оцінки інвестиційної привабливості проекту з переробки соєвого жмиху. Зроблено оцінку сировинного потенціалу по регіонах України, що свідчить про значний ріст сировинної бази за останні чотири роки.

Зроблено розрахунок техніко-економічних показників експлуатації установки в промислових умовах. Оцінено витрати на впровадження розробленої технології та рентабельність виробництва.

Економічний ефект від впровадження установки й організації виробництва з переробки соєвого жмиху в чистому прибутку становить порядку 120 тис. грн. на рік.

Висновки

соєвий жмих термовологий екструзія

1. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень удосконалена технологія переробки та зберігання соєвого жмиху за рахунок розробки принципово нового технологічного процесу й обладнання. Показано, що на основі розробленої технології та конструкторських рішень в процесі обробки сировини, визначення оптимальних умов термовологої екструзії, можливо одержання продукту з необхідними якісними показниками.

2. Запропоновані конструкторські і технологічні рішення відповідають вимогам інактивації антипоживних речовин до встановлених норм - вміст інгібітору трипсину в обробленому продукті знаходиться на рівні 2,5 мг/г, активність уреази - 0,04 од. рН.

3. Встановлені оптимальні технологічні параметри процесу: температура обробки - 120С; тривалість обробки - 28 с; тиск, який розвивається в екструдері остаточної обробки - 3 МПа; вологість продукту - 6 %.

4. Біохімічні і фізико-механічні процеси, що відбуваються в ході обробки, позитивно впливають на якісні показники продукту, приводять до збільшення його поживної цінності, а запропоновані технічні і технологічні рішення сприяють збереженню усіх біологічно-активних речовин.

5. Отриманий у результаті запропонованого способу обробки умовно-стерильний продукт може зберігатися до 6 місяців не втрачаючи при цьому поживних властивостей.

6. Запропоновано рівняння продуктивності, яке дозволяє оптимізувати процес термовологої екструзії залежно від змінюваної геометрії шнека та умов обробки.

7. Економічний ефект від впровадження розробленої технології переробки та зберігання соєвого жмиху становить порядку 120 тис. грн. на рік в умовах підприємства ДП “Юніфекс Україна”.

Пропозиції виробництву.

Для одержання високоякісного продукту з відходів олійного виробництва соєвої культури рекомендується застосовувати технологію та обладнання, розроблені на кафедрі переробки, стандартизації і сертифікації сировини Херсонського національного технічного університету, що забезпечують оптимальну інактивацію антипоживних речовин до встановлених норм, збереження поживних властивостей, поліпшення якісних характеристик, отримання умовно-стерильного продукту та збільшення терміну його зберігання до 6 місяців. Обробку соєвого жмиху слід проводити в наступних технологічних режимах: температура обробки - 120 оС; тривалість обробки - 28 с; тиск, який розвивається в екструдері остаточної обробки - 3 МПа; вологість продукту - 6 %.

Для одержання максимального ефекту від запропонованої технології рекомендується проводити обробку безпосередньо в місцях утворення відходів олійного виробництва.

Література

1. Агеев С.М., Мостовой А.А., Агеев М.С. Динамика и основные направления переработки сои // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 2002. - № 6. - С. 30 - 32.

2. Агеев С.М., Мостовой А.А., Агеев М.С. К расчету производительности шнековых машин для экструзионной обработки зернобобовых // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. - 2002. - № 32. - С. 3 - 6.

3. Агеев С.М., Мостовой А.А., Агеев М.С. Функциональные характеристики рабочих зон шнековых машин для обработки зернобобовых // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002. - № 3. - С. 38 - 40.

4. Пат. 56871 А України, МКИ А23N17/00. Пристрій для термовологої обробки вторинних продуктів переробки зернобобових / С.М. Агєєв, М.С. Агєєв, А.А. Мостовой. - № 2002108161; Заявл. 15.10.2002; Опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. - 3 с.

5. Пат. 62357 А України, МКИ А23N17/00. Пристрій для вторинної обробки зернобобових / С.М. Агєєв, А.А. Мостовой, М.С. Агєєв. - №2003032123; Заявл. 11.03.2003; Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12. - 4 с.

6. Агеев С.М., Мостовой А.А. К определению зональной производительности экструдера // Матеріали науково-технічної конференції молодих вчених “Нове в селекції, генетиці, технології вирощування, збирання, переробки та стандартизації луб'яних культур”. - Глухів: ІЛК УААН. - 2004. - С. 95 - 99.

Размещено на Allbest.ru