НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

СТАДНИК ІГОР ЯРОСЛАВОВИЧ

УДК 664.653.1

ПІДВИЩЕННЯ ІНТЕНСИВНОСТІ РОБОТИ ТАРІЛЧАСТОЇ ТІСТОМІСИЛЬНОЇ МАШИНИ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор

Лісовенко Олексій Тимофійович

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри машини і апарати харчових виробництв

Офіційні опоненти - | доктор технічних наук, професор

Серьогін Олександр Олександрович

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

- | кандидат технічних наук

Островський Віктор Олександрович

начальник відділу Міністерства промислової політики України

Провідна установа - | Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться “18” травня 2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 в Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “06” квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Завялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки залишається актуальню проблема по розробці та впровадженню нових технологій, інтенсифікації процесів, підвищення продуктивності і рентабельності виробництва та покращанні якості готової продукції.

Одним із ефективних методів прискорення процесу дозрівання тіста і покращання якості хлібобулочних виробів є посилена механічна обробка тіста при замісі, що дозволяє вплинути на його структуру і фізико-хімічні показники. Серед робіт, присвячених покращенню традиційних технологій і створенню нових енерго - та ресурсозберігаючих виробництв, значна увага приділяється інтенсивному процесу замішування тіста.

В більшості цих схем тісто готують на безперервно діючих тістомісильних машинах А2-ХТТ. Загальний час виробничого циклу одержання готового хліба складає біля 6-8 годин. При підготовці і організації роботи виробництва в одну або дві зміни дуже важливо, який технологічний процес приготування тіста вибрати. Вибраний процес повинен забезпечити швидке зупинення робочого процесу і таке ж оперативне його відновлення.

Для скорочення тривалості процесу приготування тіста існує багато різних рішень, які основані на біохімічних способах інтенсифікації дозрівання тіста шляхом стимулювання процесу бродіння а також і на їх комбінації з фізичними методами впливу на тісто. Одним із таких способів є застосування інтенсивної механічної обробки тіста і використання нових швидкохідних тістомісильних машин, які сприяють скороченню часу протікання процесу.

Подальше вивчення механізму, який покращує інтенсивний заміс тіста, його реологічні властивості і якісні показники хліба, повинно привести до створення принципово нових тістомісильних машин, які забезпечуватимуть раціональні параметри замішування.

Розробка принципово нових тістомісильних машин, оптимізація їх робочих процесів і встановлення раціональних параметрів робочих органів машини передбачає створення математичної моделі машини і фізичної лабораторної моделі, за якими проводять лабораторні експерименти і розрахунки раціональних розмірів робочих органів камер і нових машин.

Розроблення і обґрунтування економічно ефективної раціональної конструкції тістомісильної машини безперервної дії обумовлюють актуальність представленої роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до планів науково-дослідної роботи Національного університету харчових технологій, в рамках теми “Дослідження робочих процесів технологічного обладнання підприємств хлібопродуктів з метою їх інтенсифікації та створення високоефективного обладнання”. Особистий внесок здобувача полягає в розробці “вирізки” та конструкції місильних органів установки, проведення лабораторних і промислових досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів. Частина досліджень проводилася на лабораторних установках кафедри обладнання харчових технологій Тернопільського ДТУ імені Івана Пулюя.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є створення моделі принципово нової інтенсивно діючої тістомісильної машини безперервної дії, спрямованої на підвищення інтенсивності замісу та якості тіста.

Важливим напрямком в дослідженні підвищення інтенсивності роботи тарілчастої тістомісильної машини безперервної дії, в якій основна частина енергії витрачається на замішування, а не на зовнішнє тертя замішуваного тіста об робочі органи і стінки місильного корита і зв’язаний з цим небажаний нагрів тіста, відіграють робочі органи та форма місильної камери.

У відповідності з поставленою метою були сформульовані такі задачі:

- визначити оптимальний технологічний режим приготування тіста в пілотній моделі;

- дослідити вплив інтенсивності замішування тіста новими місильними органами на його якість;

- визначити реологічні характеристики тіста, яке замішується, в залежності від умов навантаження місильного органу та його конструкції;

- дослідити залежність часу бродіння тіста від тривалості замішування місильного органу;

- дослідити залежність часу бродіння тіста від швидкості обертання місильного органу;

- розробити методику вимірювання показників оптимізації конструктивно-технологічних параметрів процесу замішування;

- на підставі досліджень, проведених у лабораторних та виробничих умовах, довести доцільність застосування інтенсивної роботи тарілчастої тістомісильної машини безперервної дії.

Об’єктом дослідження є тістомісильні машини безперервної дії.

Предметом досліджень є режими процесу замішування тіста і специфіка його визрівання при подальшому технологічному процесі.

Методи дослідження. Застосовані методи математичного і фізичного моделювання. Реологічні характеристики тіста визначені методом ротаційної віскозиметрії; необхідна тривалість бродіння встановлена за стандартною методикою, накопичення титрованої кислотності і збільшення об’єму тіста; задача оптимізації процесу замішування розв’язана за допомогою пакету МаthCad.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі:

- розроблено нове технічне рішення тістомісильної машини зі зміною місильного органу, що дозволило підвищити інтенсивність процесу замішування і покращити якість тіста;

- вперше встановлено раціональний режим при якому проходить замішування тіста на безперервно діючій тістомісильній машині інтенсивної дії з новим місильним органом;

- встановлено залежність часу бродіння тіста від тривалості замішування і швидкості обертання місильного органу;

- визначено фізико-хімічні і структурно-механічні властивості тіста, яке приготовлене інтенсивним способом із застосуванням принципово нового місильного органу.

Практичне значення одержаних результатів. В роботі реалізовано науково обґрунтований підхід до визначення параметрів механізму, який покращує інтенсивне замішування на безперервно діючій тістомісильній машині при замішуванні житньо-пшеничного тіста.

Завдяки урахуванню суттєвих конструктивно-технологічних особливостей процесу інтенсивного замішування пшеничного та житньо-пшеничного тіста вдосконалено математичну модель режиму процесу замішування тіста і поведінки тіста при подальшому технологічному процесі.

Подано рекомендації щодо інтенсифікації безперервно діючої тарілчастої тістомісильної машини, в якій основна частина енергії, яка споживається, витрачається власне на замішування, а застосування принципово нових гальмівних лопатей, які забезпечують раціональні параметри замішування, не викликають при цьому небажаного нагріву тіста.

Запропонований новий ефективний місильний орган для інтенсивного замішування тіста на безперервно діючій тістомісильній машині, захищений деклараційним патентом на винахід. При цьому скорочуються виробничі площі, витрати на утримання та експлуатацію обладнання. Тривалість технологічного процесу після замішування скорочується, як наслідок – здешевлюється собівартість продукції та організація роботи виробництва в одну або дві зміни. Результати роботи використані при замішуванні пшеничного та житньо-пшеничного хліба “Подільського покращеного” на ВАТ “Чортківський хлібозавод” в м.Чорткові.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні положення, що стосуються математичного моделювання процесу замішування тіста, розроблені у співавторстві з науковим керівником д. т. н., проф. Лісовенко О.Т. Автором особисто: запропонована ідея, розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення для врахування контактності взаємодії між продуктом і обладнанням, зміни граничних умов під час замішування, зміна станів газової фази тіста в процесі вистоювання; виконані обчислювальні експерименти, в результаті чого визначено вплив різних факторів на параметри процесу замішування і вирішена задача раціональних параметрів: частота обертання місильного органу, тривалість замішування, температурний режим та режим по вологості тіста; проведені дослідження на фізичних моделях, використано обробку і аналіз їх результатів; у виробничих умовах проведена серія експериментів процесу замішування на модернізованій тістомісильній машині безперервної дії.

Авторські права на тістомісильну машину захищені деклараційним патентом України на винахід № 62460 А [4].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на 67-й, 68-й, 69-й, 70-й наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених Національного університету харчових технологій, 2001, 2002, 2003, 2004 рр.[5, 6, 7, 8]; на 7-й та 8-й наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя 2003, 2004 рр. [9, 10].

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 10 наукових роботах, серед яких 3 статті, 1 деклараційний патент та 6 тез конференцій.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 129 сторінках, містить 33 рисунки, 17 таблиць, список використаних джерел із 98 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми вдосконалення процесу інтенсивного замішування тіста, визначено зв’язок із науковими програмами, темами, планами, сформульовані та визначені мета, задачі, об’єкти та методи досліджень, наведена наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, апробація результатів роботи.

У першому розділі міститься огляд основи теорії та аналіз процесу безперервного замішування тіста на основі аналізу літературних джерел про процес замішування тіста та загальний опис розвитку і вдосконалення конструкцій промислових тістомісильних машин безперервної дії, відповідно їх класифікації. Розглянуто процес замішування тіста, який полягає в утворенні однорідної капілярно-пористої маси з борошна, води, дріжджів, сольового розчину та інших компонентів; насичення цієї суміші повітрям; механічної її переробці (пластифікації); набряканні крохмалю і білкового комплексу з утворенням пружно-еластичного, в’язкого тіста, що містить активно-діючі мікроорганізми і ферменти. Відзначено, що кисень повітря, оклюдований під час замішування, робить винятково корисний вплив на якість готового хліба, тобто скорочує тривалість бродіння на 20 %, зміцнює білковий комплекс, збільшує об’єм тіста, вихід хліба до 2 %, а також довше зберігання свіжості хлібних виробів. Для полегшення аналізу закономірностей процесу замішування та виявлення постадійних раціональних параметрів забезпечення, розглянуто тристадійну модель.

Відображено найбільш ефективний аналіз процесу безперервного замісу тіста за допомогою консистограм та енергетичного балансу, де передбачено розрахунок наступних характеристик: водопоглинання, тривалість утворення тіста, стійкість структури тіста, розслаблення консистенції тіста. Проаналізовано вплив посиленої механічної дії на швидкість протікання фізичних, колоїдних і біохімічних процесів, що скорочує тривалість дозрівання тіста та покращує якість хліба.

Відмічено цікаві роботи в галузі теорії тістомісильних машин, їх моделювання та методика аналізу робочого процесу науковою школою створеною О.Т.Лісовенко та роботи В.С. Гурбунова, П.В.Трушко, В.М.Ковбаси, І.М.Литовченко, Ю.М.Дагаєва, А.Г.Котенко, С.І.Сидоренко, А.І.Полякова В.О. Островського і інші вчені по дослідженню та впровадженню нової тістомісильної машини А2-ХТТ.

Виділяються способи приготування тіста: “Чорлейвуд процес”, “Блехерд-Беттер-процес”, “Премикс” та вклад в розробку нових прогресивних схем тістоготування Чехословаччини, Польщі, Німеччини, України.Виконання ефективних рішень по інтенсифікації замішування тіста неможливе без встановлення основних закономірностей процесу і факторів, що впливають на нього. Для формування науково-обгрунтованого підходу до конструювання обладнання і вибору оптимальних експлуатаційних режимів його роботи, проаналізовано основні переваги та недоліки тістомісильних машин при замішуванні тіста, застосованих у різний час, відмічено конструкції місильних органів та їх вплив на конструкцію тістомісильної машини безперервної дії.

На основі аналізу літературних джерел визначено основні напрямки, придатні для узагальнення результатів експериментальних досліджень та побудови математичної моделі місильного органу та конструкції місильної камери.

Розроблення і обґрунтування економічно ефективної та раціональної тістомісильної машини безперервної дії обумовлюють актуальність представленої роботи.

У другому розділі визначено мету по дослідженню і вдосконаленню процесу інтенсивного замішування тіста на тарілчастій тістомісильній машині безперервної дії на базі основних положень сучасної теорії замішування та реалізація отриманих даних при розробці технічного рішення конструкції тістомісильної машини.

У відповідності з поставленою метою були сформульовані такі задачі: визначити раціональний технологічний режим приготування тіста в пілотній моделі; встановити особливості дії інтенсивного замішування на якість тіста; визначити чисельні значення реологічних характеристик тіста, яке замішується, в залежності від умов навантаження місильного органу; дослідити залежність часу бродіння тіста від швидкості обертання місильного органу; розробити методику вимірювання технологічних параметрів тіста, яке замішується; на підставі досліджень у лабораторних та виробничих умовах, запроектувати конструкцію місильних органів, встановити раціональні параметри процесу, що дозволило б підвищити інтенсивність роботи машини безперервної дії. Однією з суттєвих проблем моделювання безперервних процесів значно ускладнюється необхідністю безперервного дозування компонентів замішування та інтегрування інтенсивності на робочих лопатях в окремих точках по довжині робочої камери у порівнянні з моделюванням періодичних процесів, які мають більш стабільні показники різних параметрів. Враховуючи, що на А2-ХТТ хрестоподібні пласкі змішувачі дають малий ефект перемішування і низький ефект осьового переміщення, в роботі головна увага привернута відпрацюванню раціональних параметрів перемішування з використанням вирізки зон перемішування та відповідних робочих органів.

Основні елементи дослідження в робочій камері установки:

- вплив робочого орану при інтенсивному замішуванні на можливість скорочення часу бродіння тіста;

- розробка раціональної конструкції нового місильного органу;

- дослідження впливу інтенсивної механічної обробки на температурні, кислотні характеристики, якість хліба при проходженні процесу безперервного замішування;

- дослідження структурно-механічних властивостей тіста;

- визначення раціональних параметрів приготування тіста: вологості, температури, тривалості замішування, частоти обертання місильного органу;

- визначення раціонального режиму механічної інтенсивної дії процесу замішування при збільшенні питомої роботи, який супроводжується мінімальними витратами енергії на нагрівання тіста.

Розглянуто механізм та методику дослідження якості сировини, напівфабрикатів і готових виробів. Відібрано методику обробки результатів дослідження, застосування яких доцільне для опрацювання експериментальних даних тіста на кислотність, на вологість, на підйомну силу, на фізичні властивості. Головна увага привернута аналізу енергетичного балансу та обробки результатів дослідів, отриманих за допомогою програми МathCad.

У третьому розділі досліджено інтенсивність замішування тіста на лабораторній установці.

Існуючі тістомісильні машини безперервної дії досить консервативні, не відповідають вимогам сучасного прогресу, а саме: не збалансована дія робочих і гальмівних елементів; не досконалі конструкції і конфігурації робочих органів; відсутнє регулювання режиму замішування; підвищене нагрівання тіста та інші. Розробка принципово нових тістомісильних машин, оптимізація їх робочих процесів і встановлення раціональних параметрів робочих органів передбачає створення математичної моделі машини і фізичної лабораторної моделі.

Рис.1. Схема експериментальної установки: 1-тахометр; 2-клино-пасова передача; 3-електродвигун; 4,5-оглядові вікна; 6-змінні втулки; 7-гальмівна лопать; 8-з’ємні робочі органи; 9-станина; 10-головний вал.

Так як немає цільної теорії, яка дозволяє аналітично дослідити дію робочих органів, зміни в тісті, загальна частина роботи присвячена дослідженням властивостей тіста, яке приготовлене на експериментальній установці (рис.1) з прозорими стінками для фіксації траєкторії руху частинок в процесі замішування, з’ємних робочих органів (плоскі диски, тарілчасті, гвинтові). Відпрацювання на рідинних середовищах всіх типів робочих органів показало їх перспективність та необхідність доопрацювання конструкції так, щоб можна було замінити вплив зусилля адгезії на поверхні робочого органу на зусилля зсуву робочої маси тіста. Це є більш стабільним показником, що дозволить виконати конструкцію так, щоб процес замішування в меншій мірі залежав від властивостей середовища і більш стабільно проходив процес замішування.

Завдяки використанню тристадійної моделі процесу замішування, та розрахунку раціональних параметрів на основі енергетичного балансу, виникла потреба доповнити і вдосконалити експериментальну модель, описану вище, оскільки застосування існуючої не дозволяє повною мірою представити суттєві конструктивно-технологічні особливості процесу інтенсивного замішування. Фізичне моделювання процесу інтенсивного замішування, де значна частина енергії витрачається на деформацію зсуву, тобто на порушення структури твердої фази і на розвиток фазового контакту. При використанні багатьох варіантів робочих органів на експериментальній установці дало змогу визначити робочі зони та адекватність роботи, вести заміри і реєстрацію крутного моменту та температури на протязі процесу замішування (рис.2).

Рис.2. Схема експериментальної установка з гвинтовим місильним органом: 1-місильна камера; 2-місильна лопать; 3-з’єднання камери з давачем навантаження; 4-тяга давача навантаження; 5-реохорд; 6-привід давача переміщення; 7-блок обробки сигналів термопар і переміщення; 8-електронний тахометр; 9-показник навантаження; 10-електронний самописець; 11-пружинний компенсатор навантаження; 12-скляна з’ємна торцева стінка; 13-скляна з’ємна кришка.

При проведенні досліджень на експериментальних установках використовувалась сировина згідно рецептури хліба формового першого гатунку, із дотриманням всіх технологічних параметрів. Для математичного моделювання і обгрунтування режимів інтенсивного замішування тіста за допомогою змінних місильних органів, важливо враховувати частоту обертання, тривалість замішування та величину затраченої роботи. Програма реалізації математичної моделі виконана за допомогою інтерполяційних сплайнів, яка дозволяє за допомогою сучасних ПЕОМ обчислювати і видавати значення для подальшого аналітичного аналізу, які відповідають реальним технологіям процесу замішування тіста.

Граничні значення обмежень та n вибирались з міркувань необхідності забезпечення заданих умов роботи обладнання і параметрів готових виробів.

Розрахунок аналізу роботи процесу замішування для трьох різних місильних органів з урахуванням статей загальних витрат енергії, проведено методом перерахування показників питомої роботи Аn, при заданих змінних параметрах: частоті обертання n=150-270 об/хв, віддалі між місильними органами l=0,1…0,08 м, тривалості процесу замішування ?=1-3хв. Баланс енерговитрат на заміс тіста за один оберт, або цикл місильного органу, визначали виразом математичної моделі:

А=А1+ А2 + А3 + А4 [Дж/об], (1)

де А1 – робота, витрачена на перемішування компонентів; А2 робота на переміщення лопаті; А3- робота на нагрів тіста і металевих частин машини, що контактують з ним; А4 - робота витрачена на зміну структури тіста.

Розрахунок питомої роботи місильних органів покладена в основу математичної моделі, має вигляд:

, [Дж/об], (2)

де А – загальна робота; n – частота обертання місильного органу; m – маса тіста в місильній камері; ? - тривалість замішування.

Дослідження процесу замішування тіста місильними органами при різних режимах визначали по інтенсивності кислотонакопичення, підйомній силі та газоутворюючій здатності, фіксували показники активної кислотності рН, ефективної в’язкості ?, вологості тіста. Результати дослідів показали, що вологість тіста до бродіння і після бродіння залишаються без змін для всіх місильних органів.

Найкращі показники газоутворюючої здатності тіста при тривалості замішування 120 c були у дисковому місильному органі (ДМО) при n=270 об/хв, у тарілчастому місильному органі (ТМО) при n=250 об/хв, у гвинтовому місильному органі (ГМО) при n=200 об/хв. Після першої години бродіння ця різниця дорівнює 32 см3 СО2, то після 1,5 години бродіння 40-42 см3 СО2. До другої години ця різниця зменшується, і до 3-ої години бродіння зовсім непомітна. За 1,5 год. бродіння тіста, приготованого ГМО, виділилось 520 см3 СО2, ДМО виділилось 448 см3 СО2. Для виділення 640 см3 СО2 необхідно 2 години бродіння тісту, приготованому ГМО, 2,5 год. необхідно для тіста, приготованого ТМО, 3 год.– приготовлене ДМО.

За 90 хв бродіння підйомна сила тіста, приготованого ГМО досягла 21 хв (рис. 3), в той час, як тісто приготоване на ТМО буде мати через 2 год. Тісто приготоване на ГМО при 200 об/хв та часі замішування 120 с має найкращу газоутворюючу здатність та підйомну силу, відповідно швидше наростає кислотність, тому, всі біохімічні процеси проходять значно швидше і досягають свого оптимуму за 90 хв.Аналіз досліджень процесу замішування тіста на різних робочих органах при однаковій частоті обертання (200 об/хв) та тривалості замішування від 60 с до 180 с показав, що процес замішування при 60 с для всіх місильних органів не фіксувався, а для ДМО та ТМО він відсутній і при тривалості 90 с. Це свідчить про те, що вказані місильні органи не виконують суттєвого промішування всіх компонентів, тобто здійснюють тільки дві стадії замішування.

Результати досліджень залежності підйомної сили тіста від тривалості замішування (рис.4) показали, що підйомна сила тіста, яке приготоване ГМО за 120 с вища, ніж на ТМО та ДМО за 180 с.

Рис.3. Залежність підйомної сили тіста, приготованого місильними органами, від частоти обертання, при W=43%, тривалість замішування 120с: 1-тісто, приготовлене гвинтовим місильним органом; 2 -тісто, приготовлене тарілчастим місильним органом; 3-тісто, приготовлене дисковим місильним органом.

Рис.4. Залежність підйомної сили тіста від тривалості замішування при W=43% і температурі 32оС:1-тісто, приготоване за 120 с ГМО;2-тісто, приготоване за 180 с ТМО;3-тісто, приготоване за 180 с ДМО при частоті обертання 270об/хв.

За 90 хв бродіння, підйомна сила тіста, яке приготоване ГМО, досягла 22 хв в той час, як на ТМО такий самий результат отримується через 2 години. Згідно проведених експериментів залежності газоутворюючої здатності тіста від тривалості замішування (рис. 5) видно, що за 2 години бродіння тіста, яке приготоване за 120 с на ГМО, виділилось 520 см3 СО2, у тіста замішаного за 180 с на ТМО – 480 см3 СО2, а у тіста замішаного за 180 с при частоті обертання 270 об/хв на ДМО – 410 см3 СО2.

Рис.5. Залежність газоутворюючої здатності тіста, від тривалості замішування при W=43%, температурі 320С: 1 - тісто, приготовлене на протязі 120 с, ГМО; 2 - тісто, приготовлене на протязі 180 с, ТМО; 3 - тісто, приготовлене на протязі 180 с при частоті 270 об/хв, ДМО.

У відповідності з планом чисельних експериментів при математичному плануванні взято фактори, які впливають на процес: вологість тіста, частота обертання місильного органу, тривалість замішування. На основі співставлення даних фізичних експериментів і відповідних їх чисельних розрахунків, встановлено, що найбільший вплив на питомий об’єм хліба має вологість тіста, частота обертання місильних органів та тривалість замішування тіста.

Порівняльний аналіз роботи місильних органів показав, що в середовищі, яке перемішується, рівномірний розподіл швидкостей руху, максимальне значення коефіцієнта лобового опору, опорів тертя об’єму тіста, сил тиску, сили ваги у гвинтового місильного органу.

Для покращання перемішування з використанням ДМО та ТМО встановлено гальмівну лопать. Дослідження показали, що при замішуванні тіста, зберігається загальна послідовність окремих етапів процесу тістоготування для всіх місильних органів. Однак, для ДМО тривалість замішування при частоті обертання 200 об/хв більша на 60 с від ГМО та більша на 30 с від ТМО, Aп менше тарілчастого на 159,6 Дж/г , але більше гвинтового на 141,4 Дж/г.

Більшість чисельних експериментів проведені з використанням реологічних характеристик тіста. Аналіз залежності ефективної в’язкості тіста від швидкості деформації місильними органами показав, що із збільшенням градієнта швидкості від 0,167 до 2,7 с-1, ефективна в’язкість для ДМО та ТМО зменшується майже однаково, а для ГМО вона змінюється менш інтенсивно.

Залежність в’язкості від температури свідчить про те, що більш економічно процес замішування проходить при максимально можливих температурах і збільшених швидкостях зрушення. Із зростанням температури, в’язкість тіста зменшується, а в процесі вистоювання, гранична напруга зрушення тістової заготовки при будь-яких значеннях вологості і температурі – зменшується. Раціональний час вистоювання, який забезпечує якісні показники готової продукції, також залежить від вологості. Так, найбільший питомий об’єм 380-400 мл/100г (криві 1*. 2*, 3* на рис. 6 а, б, в) та найвищі точки відмічені для тіста вологістю 39,5, а потім 40,5; 41% при тривалості вистоювання 90; 70; 55 хв. Найкращі якісні показники в дослідженнях ми одержали для гвинтового, час вистоювання – 55 хв, а гранична напруга зрушення склала 144; 148; 150 Н/м2 (рис.6).

Аналіз дослідження залежності напруги зрушення заготовки та питомого об’єму виробу після випікання при n= 250 об/хв на всіх місильних органах показали, що раціональний час вистоювання для ДМО і ТМО складав 55; 60; 95 хв, а гранична напруга зрушення –149; 148; 140 Н/м2, для ГМО час вистоювання тривав 50; 60; 85 хв, а гранична напруга зрушення – 142; 146; 140 Н/м2.

Проведена серія експериментів показала, що частота обертання місильних органів суттєво впливає на густину тіста, особливо помітно для ГМО. Це свідчить про те, що при замішуванні проходить насичення тіста повітрям більш інтенсивно ніж у ДМО та ТМО, що має позитивний вплив на якість тіста.

Рис.6. Залежність напруження зрушення заготовки та питомого об’єкту виробу після випічки від часу вистоювання (при W=39,5; W=40,5; W=41%) при n=200 об/хв. для місильних органів: а – дисковий; б – тарілчастий; в – гвинтовий.

Проведення чисельних експериментів дозволило зробити висновок, що кращу пористу структуру м’якуша (однорідні тонкостінні пори, розвинута внутрішня поверхня пор, хороша пористість і структурно-механічні властивості) приготованого на ДМО при частоті обертання 270 об/хв, для ТМО - 250; 270 об/хв, а для ГМО -200; 250 об/хв. У проб хліба із кращою пористістю була висока бальна оцінка.

У четвертому розділі продемонстровано аналіз результатів промислових випробувань модернізованої тістомісильної машини, дослідженню її ефективності, уточненню технологічної схеми та апаратурного оформлення основних процесів, а також питанням економічної ефективності тістомісильної машини.

Дослідження проводилися на модернізованій тістомісильній машині А2-ХТТ, де на боковій частині циліндричної місильної камери змонтовано шарнірно чотири гальмівні лопаті, які дають можливість регулювання їх робочої поверхні. Новий орган замішування виконаний у вигляді гвинтової полоси з профілем, подібним перерізу плавника дельфіна з кутом атаки 32…35? (рис. 7).

Промислові випробування модернізованої тістомісильної машини довели, що хліб, який приготовлений на модернізованій тістомісильній машині, за своїми показниками кращий від хліба, який приготовлений на А2-ХТТ, що являється підтвердженням даних, отриманих в лабораторних умовах. Замішуване тісто мало підвищене водопоглинення, але одночасно, залишалося сухим на дотик, при достатньому вистоюванні, мало найбільшу в’язкість та пружність, що дозволяє досягти більш дрібну пористість та збільшення об’єму хліба. Отримані результати засвідчили якісні показники хліба за рахунок зменшення часу приготування тіста на 60 с та зменшенням часу бродіння на 15-18 %.

Інтенсифікація процесу замішування тіста з борошна пшеничного та житньо-пшеничного досягається за рахунок поєднання в тістомісильній машині нового гвинтового місильного органу та регулюючих гальмівних лопатей, що призводить до зменшення витрат сухих речовин борошна при бродінні, скорочення виробничого циклу тістоведення, зниження витрат енергії та матеріалів.

Висновки

Наведено теоретичне узагальнення і нове технічне рішення, в якому місильний орган має специфічну конструкцію, яка дозволяє інтенсифікувати процес, а гальмівні лопаті, які шарнірно закріплені на боковій поверхні робочої камери, дозволяють регулювати інтенсивність замішування без зупинки машини. Аналіз отриманих в роботі результатів дозволив зробити такі висновки:

1. Показано, що удосконалення місильного органу та будови місильної камери є одним з перспективним напрямків інтенсифікації процесу замішування тіста. Основні вимоги пропонованої конструкції: забезпечення раціональних параметрів процесу в робочій камері машини в цілому, високу експлуатаційну надійність, забезпечити оптимізацію процесу замішування тіста за рахунок раціональних параметрів робочих місильних органів і гальмівних лопатей, де коефіцієнт корисної дії дуже високий і не сприяє збільшенню Аn.

2. На основі проведених досліджень встановлено: вплив частоти обертання місильного органу, тривалості замішування, температури, вологості, форми місильного органу – на процес замішування тіста. Визначено залежність частоти обертання місильного органу від тривалості замішування та параметрів: температури, вологості, які впливають на якісні показники тіста.

3. Дослідження накопичення кислотності при бродінні тіста, приготовленого місильними органами показало, що бродіння тіста приготовленого гвинтовим місильним органом призводить до інтенсифікації процесу: час, протягом якого досягається її задане значення 4,4, при частоті обертання 3,3 с-1 скорочується в 2 рази. Як наслідок, зменшуються втрати сухих речовин при бродінні та загальна тривалість виробництва продукції.

4. Збільшення частоти обертання від 4,5 с-1 та тривалості замішування від120c місильних органів приводить до розрідження і злипання тіста, що веде до збільшення тривалості бродіння. Проведено порівняння значень частоти обертання та тривалості замішування місильних органів. Установлено, що раціональні параметри для дискового та тарілчастого місильних органів – 250-270 об/хв. і час замішування 120c, а для гвинтового – 200 об/хв. Перевищення цієї межі під час замішування тіста недоцільне.

5. Реалізація процедури зміни процесу замішування тіста на місильних органах, а також урахування контактної взаємодії між компонентами та формою місильного органу, особливостей поведінки газової фази тіста, особливостей підйомної сили тіста і зміни ефективної в’язкості в залежності від швидкості зрушення, дозволило створити математичну модель процесу інтенсивного замішування тіста. Вона є інструментом, що дає можливість з мінімальними витратами часу і матеріальних ресурсів розрахувати конструктивні варіанти місильних органів та місильної камери і дослідити поведінку замішаного тіста з структурно-механічними характеристиками.

6. На основі аналізу всієї сукупності отриманих даних при процесі замішування тіста дисковим, тарілчастим, гвинтовим місильними органами, визначено доцільність застосування гвинтового місильного органу. У тіста, приготованого гвинтовим місильним органом, значно інтенсивніше проходять мікробіологічні процеси, підвищується кількість виділеного двоокису вуглецю за 90 хв. бродіння, тобто 520 см3 , температура тіста в період замішування залишається без змін.

7. Розроблено та реалізовано в комп’ютерній формі математичну модель процесу інтенсивного замішування тіста місильними органами до якої увійшли залежності визначені в результаті теоретичних та практичних досліджень. Дана модель дає змогу проводити порівняльний розрахунок питомої роботи за критерієм роботи, затраченої на нагрів тіста і металевих частин машини, що з ним контактують.

8. Проведено модернізацію конструкції тістомісильної машини безперервної дії А2-ХТТ за рахунок заміни хрестоподібних лопатей на гвинтовий та установкою регулюючих гальмівних лопатей. Дозволило регулювати інтенсивність замішування за допомогою гальмівних лопатей та специфічній конструкції гвинтового органу (виготовлений із профіля полоси в перерізі – плавник дельфіна), процес замішування триває 1,2-2 хв. Значно скорочуються витрати електроенергії на замішування тіста та витрати борошна на бродіння.

9. Промислові випробування процесу замішування тіста на безперервно діючій тістомісильній машини на Чортківському хлібозаводі показали, що тісто має однорідну консистенцію, час бродіння скорочується на 15-18%, скорочується тривалість замішування на 60с, кислотонакопичення та підіймальна сила проходить інтенсивно, тому хліб має об’єм на 4-6% більший порівняно з машиною А2-ХТТ.

10. Практичне застосування запропонованої тістомісильної машини для замішування тіста підтвердили економічну ефективність. Розроблені рекомендації щодо її застосування. Економічний ефект від впровадження запропонованого технічного рішення для хлібозаводу, який випускає хліб пшеничний першого гатунку, на одній лінії продуктивністю 5 тонн хліба за добу, складає 6365,6 гривень. Зниження витрат на виготовлення 1 тони продукції складає 1,45 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лісовенко О.Т., Стадник І.Я., Доломакін Ю.Ю. Відпрацювання раціонального режиму в робочій камері тістомісильної машини з метою оптимізації робочого процесу і якості тіста. //Наукові праці Українського державного університету харчових технологій. – К.: УДУХТ, 2001. – №10. – 111 с.

Особистий внесок: розробка програми експериментальних досліжень, проведення експериментів, узагальнення результатів.

2. Стадник І.Я., Лісовенко О.Т. Обладнання – перспективне, продукція – високоякісна //Харчова і переробна промисловість. – 2001. – № 12. – С.11.

Особистий внесок: обгрунтована необхідність інтенсифікації обладнання хлібопекарського виробництва, запропоновано напрямки.

3. Стадник І.Я., Лісовенко О.Т. Печемо хліб за двозмінним графіком //Зерно і хліб. – 2002. – № 3. – С.17.

Особистий внесок: постановка завдання інтенсивності замішування тіста при двохзмінній роботі.

4. Пат. 62460 А Україна. Тістомісильна машина /Лісовенко О.Т., Котенко А.Г., Стадник І.Я; Заявл. 27.03.03; Опубл. 15.12.03, Бюл. № 12. – 2 с.

Особистий внесок: участь в розробці конструкції тістомісильної машини безперервної дії на основі енергетичного аналізу робочого процесу замішування.

5. Лісовенко О.Т., Доломакін Ю.Ю., Стадник І.Я. Створення сучасної експериментальної установки тістомісильної машини і її експериментальної моделі //Тези 67-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (24-25 квітня 2001 р). – Ч ІІ. – Київ: НУХТ, 2001. – С. 53.

Особистий внесок: участь в розробці експериментальної установки.

6. Стадник І.Я. Специфіка визначення реологічних характеристик для обгрунтування розрахунків тістомісильних машин //Тези 68-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості” (23-25 квітня 2002 р). – Ч ІІ. – Київ: НУХТ, 2002. – С. 48.

Особистий внесок: визначення реологічних характеристик замішаного тіста на експерименитальній установці, розробка математичної моделі процесу замішування гвинтовим місильним органом.

7. Лісовенко О.Т, Доломакін Ю.Ю., Стадник І.Я. Сучасні порційні тістомісильні машини для інтенсифікації замішування //Тези 69-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової і переробної промисловості” (22-24 квітня 2003 р). – Ч ІІ. – Київ: НУХТ, 2003. – С. 53.

Особистий внесок: участь в розробці конструкції тістомісильної машини періодичної дії.

8. О.Т.Лісовенко, Ю.Ю.Доломакін, І.Я.Стадник. Дослідження процесу інтенсифікації замішування тіста і обгрунтування нових конструктивних рішень //Тези 70-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді – вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті”(20-21 квітня 2004 р). – Ч ІІ. – Київ: НУХТ, 2004. – С. 46.

Особистий внесок: проведення чисельних експериментів, обгрунтування конструктивних рішень.

9. Стадник І.Я. Оптимізація процесу приготування тіста на основі реологічних залежностей //Тези 7-ї наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (22-24 квітня 2003р). – Тернопіль: ТДТУ, 2003. – С. 153.

Особистий внесок: постановка задачі, виконання експериментальних досліджень тіста, аналізи результатів.

10. І.Я.Стадник, О.Т. Лісовенко. Вплив інтенсивного замішування на швидкість дозрівання тіста //Тези 8-ї наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (11-12 травня 2004р). – Тернопіль: ТДТУ, 2004. – С. 140.

Особистий внесок: виконання експериментальних досліджень на установці, визначення раціональних параметрів процесу замішування в робочій камері.

Основні результати дисертаційної роботи достатньо повно висвітлені в наукових фахових виданнях. Матеріали дисертації апробовані на наукових конференціях.

Анотація

Стадник І.Я. Підвищення інтенсивності роботи тарілчастої тістомісильної машини безперервної дії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. – Національний університет харчових технологій. Київ, 2004.

Досліджено можливість вдосконалення тарілчастої тістомісильної машини безперервної дії при інтенсивнім приготуванні тіста на потокових лініях хлібопекарської галузі.

Досліджено та проаналізовано вплив місильних органів на якісні показники тіста та готової продукції. Встановлено, що на накопичення титрованої кислотності, поведінку газової фази та структури тіста, впливає частота обертання місильного органу, температура та вологість тіста.

На основі проведених експериментальних досліджень та аналізу енергетичного балансу місильної установки, встановлено сприятливі раціональні значення інтенсивного приготування тіста. Виявлено, що ГМО за умов дотримання раціонального режиму процесу замішування, забезпечує ефективні показники тіста і готового виробу. Запропоновано нове конструктивне рішення будови безперервно діючої тістомісильної машини, у якої місильна камера має циліндричну форму з боковою кришкою, на якій змонтовані гальмівні лопаті з можливістю регулювання їх робочої поверхні, змішувальна лопать виконана у вигляді гвинтової смуги з профілем, подібним перерізу плавника дельфіна з кутом атаки 30...33?. Використання якої дозволяє збільшити продуктивність, покращити санітарні умови та якість продукції.

На основі техніко-економічних розрахунків доведено доцільність впровадження даного технічного рішення тістомісильної машини безперервної дії.

Ключові слова: інтенсивність замішування, пшеничне дріжджове тісто, ДМО (дисковий місильний орган), ТМО (тарілчастий місильний орган), ГМО (гвинтовий місильний орган), робоча камера, структура тіста, математичне моделювання.

АНОТАЦИЯ

Стадник И.Я. Повышение интенсивности роботы тарельчатой тестомесильной машины непрерывного действия. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. – Национальный университет пищевых технологий. Киев, 2004.

Диссертационная работа содержит результаты расчетов анализа роботы процесса замешивания хлеба с учетом статей затрат энергии и экспериментальных исследований, направленных на разработку технического решения новой интенсивной тарельчатой тестомесильной машины непрерывного действия, направленной на повышение надежности и производительности, уменьшения металлоемкости и энергозатрат. Большое внимание уделено конструкции месильных органов, а также их влияние на конструкцию тестомесильной машины непрерывного действия при процессе интенсивного замешивания теста, что соответственно влияет на улучшение качества продукции. Результаты роботы направлены на создание высокоэффективного месильного органа с применением новых тормозных лопатей, обеспечивающих рациональные параметры замешивания.

Создана физическая модель “вырезка” тестомесильной машины интенсивного замешивания теста, которая дает возможность при использовании рабочих органов определить рабочие зоны, где значимая часть энергии используется на деформацию сдвига, то есть на нарушение структуры твердой фазы и на развитие фазового контакта. На основании “вырезки” разработана процедура изменения частоты вращения месильных органов, продолжительности замешивания, что позволяет адекватно рассчитывать процессы, происходящие при замешивании теста: влияние рабочих органов на время брожения, температуру, накопление титрующей кислотности при брожении теста. Определенно значение частоты вращения месильных органов и времени замешивания теста, при котором кислотонакопление происходило бы максимально быстро.

Установлено, что рациональные параметры замешивания для дискового та тарельчатого месильных органов 250 – 270 об/мин., продолжительность замешивания составляет 120 с. Для винтового месильного органа продолжительность замешивания – 120 с при частоте вращения 3,3 с. Увеличение частоты вращения от 4,5 с та продолжительности замешивания от 120 с месильных органов, приводит до разрежения и слипания теста, что приводит до увеличения продолжительности брожения.

Разработана и реализована математическая модель удельной работы на один цикл месильного органа, которая делает возможным проводить расчеты сравнительной эффективности по критерию частоты вращения месильного органа и продолжительности замеса.

На основании исследований реологических характеристик теста,