Экструдирование зернового сырья с использованием процесса рекуперации пара

Экструзия различных видов и смесей сельскохозяйственного сырья при получении пищевых и кормовых продуктов является весьма энергоемким процессом. Удельное энергопотребление в зависимости от рецептурного состава и режимов экструзии находится в пределах от 0,12 до 0,18 кВт×ч/кг, а в отдельных случаях до 3 кВт×ч/кг продукции [1–3]. Диссипация механической энергии в тепловую осуществляется благодаря деформаций сдвига, сжатия перерабатываемого материала и силам трения его о поверхности рабочих органов экструдера и, прежде всего, вращающихся шнеков, обеспечивающих глубокую трансформацию перерабатываемого материала за счет механического и теплового воздействия. Тепловая энергия сообщается перерабатываемому материалу также от прямого впрыска пара или воды во время обработки, в том числе в процессе предконди-ционирования [3]. Вместе эти два источника энергии способствуют глубокой физико-химической трансформации сельскохозяйственного сырья. При этом важным фактором экструзионной переработки является влажность материала, существенно влияющая на режимные параметры, в том числе удельные энергозатраты и качество получаемой продукции.

Технические инновации в конструкции экструдеров являются одним из направлений совершенствования экструзионной технологии пищевых продуктов и кормов [4]. Разработан шнек энергосберегающего пресс-экструдера, витки которого совместно с зеером образуют канал, имеющий форму сегментной части цилиндра с переменной высотой сегмента по длине канала, что исключает ударную нагрузку и обеспечивает уменьшение затрат энергии на 13–15% [5]. Предложена технологическая схема зоны подачи пресс-экструдера, которая за счет увеличения осевого давления и улучшения прохода материала в зону сжатия позволяет снизить энергоемкость экструдирования с 66 до 55 кВт×ч/т при производстве кормов [6].

В термопластической экструзии повышение температуры в камере экструдера в большей степени зависит от механической энергии, передаваемой материалу через вращающиеся шнеки. Рост температуры процесса переработки сырья или повышение степени конверсии сырья также может обеспечиваться за счет дополнительного электронагрева [1], предкондиционированием или прямым впрыскиванием пара в сырье [7]. Увеличение удельной тепловой энергии путем прямого впрыска пара в предкондиционере снижает удельную механическую энергию, необходимую для желатинизации крахмала и формирования и структурирования гранул экструдата. Более высокая удельная тепловая энергия приводит к увеличению общей удельной энергии, повышению степени желатинизации крахмала, коэффициента расширения гранул и переваримости продукта in vitro [8].

Подача пара в экструдер способствует процессу экструзионной варки. Использование такого дополнительного источника тепловой энергии приводит к увеличению производительности, большей устойчивости к высоким уровням содержания жира в составах и снижению требований к большим приводным двигателям [9, 10].

Оба источника энергии, электрической и тепловой, в процессе экструзии в некоторой степени взаимозаменяемы. При меньших энергозатратах на генерацию одного киловатта в виде пара экономически выгодно максимально использовать его энергию.

Разработаны конструкции экструзионных машин и способы получения продуктов питания и кормов для животных с низким удельным расходом механической энергии по сравнению с обычными системами. Новая технология предусматривает введение очень высоких уровней пара в камеру экструдера во время обработки, что одновременно уменьшает затраты удельной механичекой энергии, необходимые для достижения желаемого уровня варки продукта. Корма для домашних животных могут быть изготовлены с затратами удельной механической энергии до 18 кВт×ч/т, корма для аквакультуры – до 16 кВт/т [11].

Кроме того, другим способом экономии при сохранении качества продукта и перераспределении затрат электрической и тепловой энергии при экструдировании является использование систем рекуперации пара.

Цель исследования – изучение возможности разработки энергосберегающей технологии экструзии с рационализацией теплообменных процессов на основе частичной рекуперации и возврата пара в камеру экструдера.

Материалы и методы

установка по отбору пара. Скорость вращения шнеков была постоянной и составляла 240 мин-1. Рекуперативный процесс, возврат пара для обогрева сырья, при экструдировании осуществлялся при открытом регулирующем вентиле 9. При закрытом вентиле экструдирование осуществлялось в штатном режиме без рекуперации стием в камере экструдера, где размещена тепла пара.

Рисунок 1. Конструктивно-технологическая схема экструзионного процесса с рекуперацией теплоты пара: 1 – экструзионная камера; 2 – смесительные элементы; 3 – реверсивные элементы; 4 – транспортирующие элементы с увеличенным шагом; 5 – транспортирующие элементы; 6 – матрица; 7 – расширительная камера; 8 – манометр; 9 – вентиль; 10 – форсунка

Figure 1. Structural-technological scheme of the extrusion process with steam heat recovery: 1 – extrusion barrel; 2 – mixing screw elements; 3 – reverse screw elements; 4 – transporting screw elements with increased pitch; 5 – transporting screw elements; 6 – extrusion die; 7 – expansion chamber; 8 – manometer; 9 – valve; 10 – injector

Удельный расход электроэнергии SME расчитывали в соответствии с выражением [13]:

SME = "  ^X W ^X M ,

П max X Q X 100 где n – скорость вращения шнеков, мин^-1; n mах – максимальная установленная для экструдера скорость вращения шнеков, мин^-1; W – мощность электропривода экструдера, кВт; М – нагрузка на привод,%; Q – производительность экструдера, кг/ч.

Исследования проведены в трех повторностях. Результаты представлены в виде средних значений ± среднеквадратичное отклонение.

Достоверность различий средних проводили методом дисперсионного анализа с применением апостериорного анализа по критерию Тьюки при p < 0,05 с использованием пакета программ Statistica 6.0.

Результаты и обсуждение

В процессе термоплатического экструди-рования температура перерабатываемой массы сырья устанавливается в зоне реверсивных элементов шнеков. В этой зоне возникают максимальные термомеханические воздействия на перерабатываемое сырье. Здесь же образуется перегретая вода при высоких температурах и давлении. За счет перемещения влагосодержащей массы шнеками в зону транспортирующих элементов с увеличенным шагом, где их свободный объем больше свободного объема зоны реверсивных элементов, происходила мгновенная декомпрессия, вскипание влаги при давлении 0,2–0,4 Мпа. Генерируемый пар через расширительную камеру по паропроводу возвращался в начальную зону экструзионной камеры со смесительными элементами шнеков. Рекуперативный пар, поступающий в начальную зону камеры, должен обеспечивать предварительную термическую обработку сырья.

Влияние подачи воды на расход электроэнергии на экструдирование при постоянной производительности представлено на рисунке 2. Установлено, что при экструдировании с рекуперацией теплоты пара нагрузка и удельные затраты электроэнергии сокращаются на 10–17% по сравнению со штатными режимами при различных значениях влагосодержания перерабатываемого помола пшеницы. При снижении влагосодержания сырья нагрузка на процесс экструзии возрастает как без, так и с рекуперацией теплоты пара.

В таблице 1 приведены данные по изменению свойств экструдатов в зависимости от режимов экструдирования. Анализ полученных данных показывает, что для большинства технологических параметров экструдатов рекуперация пара является значимым показателем их изменения за исключением показателя растворимости. Влажность экструдатов с минимальной подачей воды без рекуперации составила 3,8%, с рекуперацией – 5,0%. Увеличение общего вла-госодержания в камере экструдера повышает влажность экструдатов для обоих режимов, для рекуперативного – 7,1%, без рекуперации – 5,3%. Снижение коэффициента взрыва и увеличение насыпной плотности с увеличением подачи влаги в камеру экструдера соответствуют принятым представлениям об экструзионных процессах крахмалсодержащего сырья. С рекуперацией пара коэффициент взрыва снижается на 10–12% относительно режимов без рекуперации. Отмечено увеличение насыпной плотности с рекуперацией пара на 15%.

0,2

I О c ^     ■ без рекуперации | Without steam recuperation

^       ■ с рекуперацией | With steam recuperation

Рисунок 2. Влияние подачи воды на расход электроэнергии при экструдировании с рекуперацией пара

Figure 2. Influence of water injection on specific mechanic energy of extrusion with steam recuperation

Таблица 1.

Влияние режимов экструдирования и подачи воды на технологические свойства экструдатов

Table 1.

Influence of extrusion regimes and water injection on extrudares properties

Влажность экструдатов | Extrudates moisture,%
Режимы экструдирования | Extrusion regimes	Подача воды | Water injection%
	2,5 B	5ВС	8С	15D
Без рекуперации | Without rесuреrаtiоnа	3,8 ± 0,17	–	–	5,3 ± 0,17
С рекуперацией | With rесuреrаtiоnb	5,0 ± 0,3	5,2 ± 0,1	5,5 ± 0,1	7,1 ± 0,26
Насыпная плотность, кг/м3 | Bulk density, kg/m3
Режимы экструдирования | Extrusion regimes	Подача воды | Water injection%
	2,5 B	5ВС	8СD	15D
Без рекуперации | Without rесuреrаtiоnа	540 ± 7,8	–	–	700 ± 5
С рекуперацией | With rесuреrаtiоnb	640 ± 20	615 ± 7	660 ± 8,7	710 ± 4,4
Коэффициент взрыва | Expansion index
Режимы экструдирования | Extrusion regimes	Подача воды | Water injection%
	2,5 B	5В	8С	15D
Без рекуперации | Without rесuреrаtiоnа	7,3 ± 0,3	–	–	6,0 ± 0,2 C
С рекуперацией | With rесuреrаtiоnb	6,6 ± 0,1	6,5 ± 0,3	5,8 ± 0,1	5,3 ± 0,17
Растворимость | Solubility,%
Режимы экструдирования | Extrusion regimes	Подача воды | Water injection%
	2,5 A	5В	8В	15В
Без рекуперации | Without rесuреrаtiоnа	35 ± 1	–	–	31 ± 1,7
С рекуперацией | With rесuреrаtiоnа	34 ± 1,7	31 ± 1	29 ± 0,9	28 ± 2
Влагоудерживающая способность, г/г | Water holding capacity, g/g
Режимы экструдирования | Extrusion regimes	Подача воды | Water injection%
	2,5 B	5В	8С	15D
Без рекуперации | Without rесuреrаtiоnа	8,2 ± 0,17	–	–	3,7 ± 0,1
С рекуперацией | With rесuреrаtiоnb	7,9 ± 0,09	8,5 ± 0,17	7,8 ± 0,2	4,0 ± 0,095

*Влияние уровней варьирования управляющих факторов на каждый технологический параметр, обозначенных буквенными индексами, достоверно различимо при p < 0,05

*The influence of the levels of variation of control factors on each technological parameter, indicated by different alphabetic indices, is reliably distinguishable at p < 0.05

Заключние

Исследованный способ рекуперации теплоты в процессе экструзии обеспечивается возвратом и подачей генерируемого пара реверсивными элементами шнеков в начальную зону экструзионной камеры для предварительной термической обработки, что в условиях экспериментальной установки позволило снизить энергозатраты на проведение процесса экструзии на 14–17%. По-видимому, дополнительная предобработка возвратным паром сырья обеспечивает уже в начальных зонах камеры экструдера снижение механических затрат на последующую обработку, прежде всего, в реверсивных элементах. Установлено, что варочные процессы, протекающие при экструзии в опытных вариантах, характеризуемые по основным свойствам – коэффициент «взрыва» и растворимость, возрастают, а влажность получаемого продукта снижается при уменьшении влагосодержания перерабатываемого сырья.

В процессе термопластического экстру-дирования в лабораторных условиях использование способа рекуперации теплоты пара в начальной зоне шнековой камеры экструдера позволило снизить энергозатраты на выработку продукции за счет предварительной термообработки вторичным паром исходного сырья.

Представленный способ с дополнительным тепловым воздействием на перерабатываемое сырье позволяет расширить технологические возможности регулирования экструзионного процесса получения продукции различного функционально-технологического назначения. Тенденции изменения свойств сырья при фиксированной подаче воды при работе в рекуперативном режиме соответствуют аналогичным тенденциям при увеличении влагосодержания в камере экструдера: увеличивается насыпная плотность, влажность экструдатов, снижается коэффициент взрыва и влагоудерживающая способность.