Пресування матеріалів

$Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : Опис : C:\Program Files\Company\Трактори і автомобілі\ЛОГОТИП.jpg$

Процеси і апарати харчових виробництв

Електронний підручник

Головна

Теоретичні відомості

Лабораторні та практичні роботи

Тести

Додатки

Список використаних джерел

4.3 Пресування матеріалів

1. Характеристика та класифікація способів обробки матеріалів пресуванням. Основні діючі фактори на процеси пресування.

2. Закон Пуазейля.

3. Класифікація, будова і принцип роботи пресів для віджимання рідини. Брикетування сипких матеріалів. Преси для пресування пластичних матеріалів. Визначення продуктивності пресів.

1. Характеристика та класифікація способів обробки матеріалів пресуванням. Основні діючі фактори на процеси пресування

Пресуванням називається процес механічного оброблення продукту, коли його піддають зовнішньому тиску в спеціальних апаратах -пресах. Він має три основні мети:

1) відділення рідини з твердих матеріалів (віджимання);

2) надання пластичним матеріалам означеної форми (формування, штампування, екструзія);

3) ущільнювання матеріалів для підвищення їх міцності і покращення транспортування (брикетування, таблетування і грануляція).

Види пресування. Основні фактори, які впливають на процеси пресування

Віджимання рідини

Віджимання рідини за допомогою тиску використовується в таких випадках:

1) коли рідина набагато цінніша ніж твердий залишок;

2) коли твердий залишок є цінним продуктом, а наявність у ньому рідини погіршує умови зберігання, транспортування і подальшого використання.

3) коли цінною є і рідина, і твердий залишок.

Прикладом першого призначення е віджимання соку з цукрової тростини, виділення соків із ягід і плодів у виноробстві і консервному виробництві, виділення олії з насіння соняшника у виробництві олій, віджимання жиру із м'ясної шквари в м'ясному виробництві. Приклади другого призначення - віджимання води з пір'я після миття, води з бурякового жому, вмісту кишок у м'ясопереробній промисловості, сироватки від сирної маси у виробництві сиру.

Приклад третього призначення - розділення какао тертого на два продукти: какао-масло і какао-жом у кондитерському виробництві.

Оскільки найбільш розповсюдженим віджиманням є одержання соків із овочів, плодів і ягід (у світі щорічно переробляють близько 70 млн. т винограду, 40 мли т яблук та 35 млн. т цитрусових плодів), то розглянемо цей процес. Основним показником, що характеризує процес, є вихід рідини.

На вихід рідини впливають фізіологічні та фізико-хімічні властивості вихідної сировини (характер зв'язку рідинної фази та пектинових речовин, спосіб попереднього оброблення, в'язкість), а також величина робочого тиску та інтенсивність його підвищення, температура й тривалість процесу, товщина шару та інші фактори. Рослинна сировина, яка піддається пресуванню, - це клітинна структура з напівпроникною протоплазмою, яка перешкоджає виходу соку з клітини. Отже, клітинна проникність є головним фактором, який зумовлює вихід соку під час віджимання. Чим вища проникність клітин і сильніше пошкоджена протоплазма в процесі попереднього оброблення, тим більший вихід соку під час віджимання. Для того щоб протоплазма клітин втратила здатність утримувати сік, сировину попередньо обробляють різними способами: подрібнюванням (механічним пошкодженням клітин), нагріванням (білки протоплазми коагулюють), заморожуванням (кристали льоду розривають клітини і під час розморожування сік легко відокремлюється), електричним струмом (миттєва загибель протоплазми) та ін,

Фізична суть віджимання рідини пресуванням полягає ось у чому. Під час зближення частин матеріалу, всередині і на поверхні яких рідина утримується силами молекулярного зчеплення, спочатку починається рух рідини в каналах між частинами, а потім у процесі пресування рідина рухається в шарі пористого матеріалу в капілярах змінного перерізу і кривини, тобто процес подібний до фільтрування.

Формуванням надають пластичним матеріалам визначену форму. Цей спосіб оброблення використовують для формування хлібопекарських дріжджів, виготовлення з тіста хлібобулочних і макаронних виробів, формування карамелі, цукеркових мас і заготовок з тіста в кондитерському виробництві. Останнім часом дуже виріс попит споживачів на напівфабрикати, які пропонують м’ясопереробні підприємства: пельмені, вареники, равіолі, манти та іншу продукцію, яка передбачає процес формування. При цьому зросли і вимоги до якості: вироби повинні зберігати надану їм форму, не розклеюватись після варіння.

Оброблення матеріалів формуванням припускає такі способи його здійснення: нагнітання, прокатування, штампування та екструзію.

Процес пресування сипких матеріалів (брикетування) широко використовується під час виробництва цукру-рафінаду, багатьох харчових концентратів, вітамінів, комбікормів. Його головна мета зв'язати частини зернистих сипких матеріалів у певну форму – таблеток, округлих гранул, кубиків, паралелепіпедів, брикетів і т. ін. Це, в свою чергу, дозволяє збільшити якість і тривалість використання продукту, зменшити витрати, покращити транспортування тощо. Різновидністю брикетування є таблетування й грануляція. Таблетки і гранули мають менші розміри у порівнянні з брикетами.

Промисловість виробляє гранульовані: чай, каву, харчові концентрати, цукерки та ін.

Ущільнювання маси характеризується коефіцієнтом пресування {в %):

де, V₁, V₂ – об’єм маси відповідно до і після пресування. Коефіцієнт пресування цукру- рафінаду становить 28 – 30%.

Виходячи із законів механіки дисперсних тіл, за умови, що маса, яка пресується, однорідна і немає втрат тиску на тертя, виведена аналітична залежність для процесу ущільнення

(P_к/ Р_п) =

де, - модуль пресованості; - початковий і кінцевий тиски пресування, Па;

- початковий і кінцевий коефіцієнти ущільнення.

Тиск пресування розподіляється по висоті брикету нерівномірно внаслідок тертя тіла об стінки матриці. Чим вищий тиск, тим вищий ступінь ущільнення. З рівняння аналітичної залежності для процесу ущільнення з урахуванням розподілу тиску в бруску виведено рівняння реального процесу ущільнення при односторонньому пресуванні. З цього рівняння випливає, що брикет має найбільшу густину безпосередньо біля пуансона, який здійснює стиснення. У зв'язку з цим стає явною доцільність двостороннього стиснення, коли навантаження прикладається до двох протилежних поверхонь брикету. Як показали досліди, у цьому разі брикет має рівномірну густину по висоті, на 10...20 % зменшується потрібне навантаження.

Ефективність пресування зумовлена взаємним зчепленням частинок, дією капілярних сил, що виникають під час ущільнення маси. Міцність брикетів залежить від стану матеріалу, який підлягає пресуванню, його вологості, попередньої теплової обробки. Інколи, щоб підвищити міцність, доцільно додавати зв'язувальну рідину. Ефективність пресування і міцність брикетів підвищуються із збільшенням тривалості процесу. Ці показники поліпшуються також від витримування маси під тиском і при повторній дії тиску на брикет.

2. Закон Пуазейля.

Теоретичний опис процесу віджимання пресуванням дуже складний. Процес вивчали здебільшого на прикладі окремих конкретних матеріалів. Встановлено такі фактори, що визначають ступінь віджимання: тиск пресування; вид матеріалу; ступінь його подрібнення і початкова вологість; об'єм навантаженої маси і тривалість пресування. Рідина під час пресування рухається між частками шару пористого матеріалу ніби по капілярах змінного перерізу і різної кривизни аналогічно переміщенню рідини в шарі стиснутого осаду при фільтруванні. Тобто процес можна описати за допомогою закону Пуазейля, який дає змогу визначити витрати рідини крізь капіляр за одиницю часу, м³/с.

де, ∆ Р - перепад тиску в капілярі, Па; α — коефіцієнт, що враховує форму перерізу капіляра (для круглого перерізу α = π / 4); d_к- діаметр капіляра, м; μ- коефіцієнт динамічної в'язкості рідини, Пат; довжина капіляра, м.

Аналіз цього виразу дає можливість зробити висновок, що з підвищенням тиску і зменшенням в'язкості збільшується кількість віджатої рідини. Разом з цим підвищення тиску зменшує переріз капілярів. Отже, оптимальний тиск пресування у кожному конкретному випадку треба вибирати з урахуванням структурно-механічних властивостей матеріалу. Доцільно також віджимання проводити при підвищеній температурі. Надлишковий об'єм маси, яку завантажують, збільшує товщину шару матеріалу і знижує продуктивність преса.

Поняття релаксації

Під час здійснення процесу формування пластичних мас враховуються їх фізико-механічні характеристики, насамперед - в'язкість, пластичність, еластичність та адгезійну властивість. Оскільки найбільш розповсюдженим у формуванні є виготовлення виробів із тіста, то зупинимось коротко на характеристиках тіста, які необхідно враховувати при здійсненні цього процесу. Будь-яке тісто (дріжджове, макаронне та ін.) в реологічному відношенні належить до розряду пружно-пластично-в'язких тіл, для яких характерне поєднання в'язкої течії та пружно-пластичних деформацій. Воно здатне зберігати свої властивості до визначеної межі. За цією межею тісто докорінно змінює свої реологічні властивості - починає необоротно деформуватись і тече, як в'язка рідина. Це настає тоді, коли прикладені сили перевищують опір структури пружної системи. Для тіста характерне також явище релаксації. Релаксацією (розсмоктуванням) напруження називається його зменшення за постійної, фіксованої деформації тіла. При цьому релаксація відбувається протягом визначеного періоду. Під періодом релаксації розуміють час, протягом якого зменшуються в "е" разів внутрішні напруження в тісті, де "е" - основа натурального логарифма. У зв'язку з цим тривалість формування, штампування не повинна бути меншою за період релаксації. Інакше кажучи, для надання й фіксування форми макаронних виробів, які випрасовуються, або збереження будь-якого малюнка на тісті, який наноситься штампом, необхідно не тільки прикласти певний тиск (вищий за критичне значення), а й витримати деякий час (не менший періоду релаксації) тісто, що формується, під цим тиском.

Тісту властива також здатність прилипання (адгезії) до робочих поверхонь обладнання, з якими воно знаходиться в контакті. Величину міцності адгезії насамперед визначають властивості тіста (в'язкість) і два параметри процесу - тиск і тривалість контакту. Найбільш радикальним способом не тільки зниження, а й практично повного усунення прилипання тіста до поверхонь обладнання (матриць макаронних пресів, закатувальних, округлюючих механізмів) є покриття їх тонким шаром (до 50 мкм) пластмаси фторопласту .

У харчовій промисловості для віджимання рідин використовують преси найрізноманітніших конструкцій періодичної та безперервної дії. їх поділяють на такі групи: механічні, гідравлічні та пневматичні. Найбільше користуються гідравлічним пресом. Він діє періодично і приводиться у рух за допомогою рідини, яка нагнітається насосом високого тиску. Застосовують прес із двома або трьома платформами, одна з яких знаходиться під тиском, а інші - на розвантаженні вичавок і завантаженні м'язги.

Після видавлювання соку платформи міняють місцями: платформа з новою м'язгою надходить на видавлювання соку, а інші - на розвантаження і завантаження. На рис.1. наведено принципову схему гідравлічного преса.

Рис. 1 .Схема гідравлічного преса

Під тиском у робочий циліндр 6 насосом 7 подасться мінеральне масло, яке примушує плунжер 5, з'єднаний з плитою - траверсою 3, рухатися вгору. Плита 3 піднімається по направляючих колонах 1, які з'єднані з верхньою нерухомою плитою 2. Віджата рідина (сік чи олія) збирається в чашці 4 на траверсі 3.

М’язгу закладають у плоскі пакети із сукна (під час одержання олії) або мішковини чи лавсанової тканини (під час пресування плодів та ягід). Товщина шару м'язги в одному пакеті під час пресування плодів та ягід становить 50-80 мм, що сприяє більшому виходу соку. Ці пакети (кількістю до 15 - 25) укладають на рухому плиту-траверсу. Між пакетами поміщають сталеві листи або дренажні решітки. Робочий цикл такого пресу включає: завантаження траверси пакетами; підйом пакетів і притискання їх до верхньої плити, витік основної маси рідини за порівняно невисокого тиску (для олії - до 5 МПа); підвищення тиску (для олії - до 80 МПа); витримка під цим тиском; опускання траверси, розвантаження. Гідравлічні преси на м’ясопереробних підприємствах застосовуються для відтискування жиру із жировмісної сировини.

Опис : прес гідравлічний

Рис.2. Зовнішній вигляд гідравлічних пресів

Практично виявлено можливість відокремлення м'яса від кісток методом пресування. М'яка частина м'яса, з'єднувальні тканини, кістки мають різні тиски початку зсуву. Поступово підвищуючи тиск у пресі, можна відділити м'яку частину м'яса, а потім інші фракції.

Останнім часом на підприємствах харчової промисловості преси періодичної дії замінюють пресами безперервної дії. Зразком можуть бути шнекові преси. Пресуюче зусилля в цих пресах створюється одним чи декількома шнеками, які переміщують матеріал. На рис.3. представлена схема шнекового преса, який використовують для віджимання олії, томатного, виноградного та інших соків із м’язги.

Рис. 3. Схема шнекового преса

У перфорованому циліндрі 1, розміщеному в горизонтальному корпусі 2, розташований шнек 3 з кроком, який зменшується. Шнек З призначений як для транспортування матеріалу, так і для віджимання з нього рідини, яка відводиться у вигляді різних фракцій через отвори в основі корпусу. Остаточне добування рідини досягається в камері тиску 4. Вихідний отвір преса закривається конусом 5, за допомогою якого регулюється ширина кільцевого зазору, а отже й ступінь віджимання рідини. Внутрішню частину циліндрів і вал таких шнеків роблять циліндричними або східчастими; витки шнеків виготовляють різними за профілем, довжиною і висотою.

Опис : шнековий прес

Рис.4. Шнековий прес

Віджимання рідини з матеріалу в шнековому пресі відбувається внаслідок поступового ущільнення маси матеріалу внаслідок таких процесів:

- зменшення об'єму матеріалу, який знаходиться між витками, завдяки зменшенню кроку витків або їх діаметра, або одного й другого разом;

- механічного впливу витків на матеріал під час обертання шнека;

- тертя матеріалу, що пресується, по поверхні шнека, циліндра і частинок матеріалу між собою;

- опору в камері тиску.

Опис : шнеуковий3

Рис.5. Зовнішній вигляд шнекового преса

Вихід рідини та її якість залежать від ступеня стиснення матеріалу між витками шнека, який характеризується коефіцієнтом стиснення - відношенням об'єму матеріалу в першому витку шнека V₁ до об'єму віджатої маси в останньому витку V₂.

К = V₁/V₂

Під час віджимання соку з винограду К = 3 ± 6, під час віджимання олії К = 3 ± 23.

Продуктивність шнекового пресу по сировині (у кг/с):

де, S - площа поперечного перерізу робочої зони корпусу преса в місці знаходження першого витка шнека, зайнятої продуктом.( у м²):

де, d₀ - зовнішній діаметр шнека, м;

d₁ - внутрішній діаметр шнека, м;

- осьова швидкість переміщення продукту вздовж шнека (в м/с):

де, t - крок першого витка шнека, м;

n - частота обертання шнека за 1 с;

- об'ємна маса м'язги, кг/м³ ;

- сумарний коефіцієнт заповнення переріза шнека і всього преса ( =0,3-0,8).

Шнекові преси також знайшли своє застосування у жирових цехах м’ясокомбінатів.

Для віджимання використовують також валкові, ексцентрикові, стрічкові, відцентрові та комбіновані преси безперервної дії.

На рис. 6 показано схему дії вальцьового преса, який використовується для віджимання рідини з картопляної м'язги у виробництві крохмалю.

Рис. 6. Схема вальцьового преса

Опис : вальцевий прес

Рис.7. Вальцьовий прес

Преси, які використовуються для формування матеріалів, залежно від способу дії поділяються на нагнітальні, прокатувальні (закатувальні) і штампувальні. Нагнітальні преси широко використовуються для формування дріжджів, макаронних, цукеркових та інших виробів. Такі преси безперервної дії складаються з нагнітального пристрою і формувального пристрою - матриці. Основна частина нагнітальних пресів - матриця - являє собою металевий диск (кругла матриця) або прямокутну пластину (тубусна матриця) з наскрізними отворами, профіль яких визначає форму та зовнішній вигляд виробу (трубка, нитка, стрічка та ін.)

Шнековий прес для виготовлення макаронів, вермішелі і локшини, зображений на рис.8, складається з тістозмішувача 1, нагнітального шнека 2 і пресової головки 5, яка забезпечує рівномірний тиск тіста на матрицю 4, Тиск пресування в шнекових макаронних пресах становить 9-12 МПа, середня швидкість пресування (виходу макаронних виробів із матриці) 0,015-0,05 м/с

Рис. 8. Схема шнекового преса для виготовлення макаронів

Штампувальні преси використовуються в кондитерській промисловості і у виробництві печива (рис. 9.)

Рис. 9. Схема барабанної штампувальної машини

При цьому на поверхню виробу досить часто наносять малюнок. Матеріал, що формується (тісто) , із лотка 2 підбирається приймальним барабаном 3. Потім на нього впливає штампувальний барабан 4, па якому нанесено штамп малюнка. Матеріал 7, на який нанесено малюнок, подається відвідним барабаном 5 на лоток 6 для готового продукту.

Для механічного формування пельменів призначені пельменні автомати, в яких пельмені штампують спеціальні барабани, які мають штампи з гострими краями за формою пельменя. Штампи одночасно вирізають пельмені із начиненого фаршем тістового джгута і склеюють їх по краям.

Екструзія - продавлювання тістоподібної маси через матрицю під тиском і за високої температури. Продукти, які одержують за допомогою цього процесу, мають підвищені харчові властивості, меншу густину, більшу гігроскопічність і крихкість, краще засвоюються організмом людини. Це - кукурудзяні палички, сухі сніданки, фігурні круп'яні вироби, харчові концентрати швидкого приготування.

Для здійснення екструзійних процесів використовують різні екструдери. На рис.10. представлено схему черв'ячного (шнекового) екструдера.

Рис. 10. Схема черв’ячного екструдера

Продукт, який підлягає екструзії, завантажується в бункер 5 з порожниною 1 для охолоджувальної води. Із бункера продукт затягується і переміщується вздовж апарата черв'яком (шнеком) 2, у канал 3 якого поступає гаряча вода для нагрівання продукту. Циліндр 4 також нагрівається за рахунок електричних нагрівачів 10. Нагрітий або навіть розплавлений продукт черв'яком продавлюється через фільтрувальну сітку 9, а потім решітку 8 у головку 6. Із головки продукт виходить через формувальний канал - матрицю 7. За рахунок миттєвого перепаду температури й тиску в головці 6 (між зоною високого тиску 25 МПа і зоною атмосферного тиску) відбувається миттєве (1,2 -10^-4с) випаровування вологи, акумульована продуктом енергія звільнюється зі швидкістю близькою швидкості вибуху, що приводить до утворення пористої структури та збільшення об'єму екструдата (спучування). При цьому внаслідок "вибуху" продукта відбуваються глибокі перетворення його структури: розрив клітинних стінок, деструкція, гідроліз.

Опис : екструдер 3

Рис. 10. Будова черв’ячного екструдера

Опис : екструдер

Рис. 10. Принципова схема одношнекового екструдера

Опис : екструдер 2 Опис : екструдер 4 Опис : екструдер1

Рис.11. Зовнішній вигляд екструдерів

Для брикетування рафінаду особливо широке використання одержали машини із зворотно-поступальним рухом пуансонів і з одностороннім пресуванням. До числа таких машин відноситься карусельний прес, схему роботи якого зображено на рис.12.

Рис.12. Схема роботи карусельного преса

Пресування відбувається в спеціальних формах (матрицях) 1 за допомогою пуансонів 2, що стискують кашку 3. Пуансон опускається в нижнє положення (позиція І), після цього матриця наповнюється продуктом (позиція II), потім здійснюється стиснення матеріалу пуансоном (у цю мить над матрицею знаходиться плита 4, позиція III), і, нарешті, пуансон виштовхує готовий брикет із матриці (позиція IV). Особливим пристроєм брикет зсувається на транспортуючий механізм. Продуктивність преса визначається частотою обертання каруселі і кількістю матриць. Карусельний прес розвиває тиск близько 15-20 МПа.

Література

1. Малежик І.Ф., Циганков П.С. Процеси і апарати харчових виробництв. - К.: НУХТ, 2003 – 400 с.

2. Гулий І.С. Та інші. Обладнання підприємств переробної та харчової промисловості. - К.: Нова книга, 2001. – 380 с.

3. Поперечний А. М., Черевко О.І., Гаркуша В.Б., Кирпеченко Н.В., Ласкіна Н.А. Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: Центр учбової літератури, 2007.- 304 с.

4. Шалугін В.С., Шмандій В.М. Процеси та апарати промислових технологій. Навчальний посібник. – К.: Центр учбової літератури, 2008. – 392с.

5. Дубова Г.Є. Процеси і апарати харчових виробництв. / Г.Є. Дубова, А.Т. Безусов. – Полтава: РВВ ПУСКУ, 2008. – 185 с.

6. Тарасенко І.І. Процеси і апарати харчових виробництв: навч.посіб. – К.: Київ нац. торг.-екон.ун-т, 2009. – 203 с.

Контрольні запитання

1.Для чого застосовується пресування в харчовій промисловості ?

2.Чим розрізняються зневоднення і брикетування продуктів ?

3.З яких складових складається пресування ?

4.Напишіть рівняння Пуазейля.

5.Які висновки можна зробити, аналізуючи це рівняння?

6.Що таке пресування?

7.Як класифікують машини длчя проведення процесу пресування?

8.Які преси використовують для віджимання рідини?

9.Які преси використовують для формування пластичних матеріалів?

10. Які преси використовують для ущільнення сипучих матеріалів?

11. Поясніть принцип роботи гідравлічного преса.

12. З яких основних вузлів складається вальцевий прес?

13. Які основні операції здійснює карусельний прес?

14. Від чого залежить ефективність пресування?

Попередня тема

На початок

Наступна тема