К вопросу об инновационных способах получения материалов для покрытий поверхностей технологического оборудования на предприятиях пищевой индустрии

Используемое в пищевой промышленности оборудование, как правило, представляет собой сложную систему механизированных и автоматизированных устройств, обеспечивающих выполнение соответствующих операций на всех этапах технологического процесса. Долговечность и надежность работы технологических линий в условиях агрессивной среды является актуальной современной проблемой.

Несмотря на разнообразие процессов, у них есть одна общая черта. На выходе – продукты, которые употребляются в пищу, причем, нередко, без дополнительной обработки. В связи с этим узлы и детали агрегатов должны:

• –    сохранять биологическую ценность сырья, не ухудшать его органолептические характеристики;

• –    не быть питательной основой для микробов и не содержать вещества, проникающие в продукцию;

• –    иметь гладкую, полированную внутреннюю поверхность, без мелких пор и труднодоступных мест, легко и быстро чиститься, мыться и дезинфицироваться;

• –    не вступать в химическую реакцию со щелочами и кислотами;

• –    во время обработки – защищать сырье от загрязнений, проникающих из окружающей среды;

Оборудование для пищевого производства используется в довольно специфичных условиях. В качестве рабочей среды нередко выступают коррозионно-активные массы. Регулярно применяются растворы для мойки и дезинфекции. Присутствуют высокие температуры и значительные перепады давления.

По этим причинам устройства должны выдерживать в установленных пределах физическое, химическое и термическое воздействие. Поэтому к подбору материалов для изготовления агрегатов предъявляются особые требования.

Основные группы материалов для изготовления пищевых устройств:

• –    конструкционные, для деталей, контактирующих с продуктом;

• –    конструкционные, для элементов, не соприкасающихся с рабочей средой;

• –    защитные наружные покрытия для деталей, контактирующих с продуктом или моющими средствами;

• –    упаковка.

Вступать в контакт с пищевыми продуктами, по заключению Минздрава, могут некоторые цветные металлы, легированные коррозионностойкие (нержавеющие) стали, стекло и пищевые полимеры.

В пищевой промышленности в настоящее время актуальны технологии усиления функциональных характеристик продуктов питания на основе применения различных добавок. Зачастую количество и качество пищевых ингредиентов, используемых для этих целей, имеют большую вариабильность характеристик. Это в свою очередь предопределяет новые условия проведения технологических процессов [1, 2]. Обеспечить надежность их ведения возможно при внедрении новых видов покрытий активных поверхностей оборудования.

Активно развивается использование технологий с применением различных нанораз-мерных добавок, которые позволяют повысить срок хранения. К их числу относятся двуокись кремния (E 551), окись магния (MgO, E 530), двуокись титана (E 171) и др. [3]. К числу разработок химического концерна BASFSE относится технология получения препаратов каротиноидов в форме порошков. Их усвоение происходит лучше, если употребляются мелко диспергированные фракции [4]. Пищевые наноразмерные ингредиенты используются в виде растворенных и нерас-творенных компонентов. К числу первых относятся дисперсии белковых препаратов, витамины, к числу вторых относятся соединения металлов, таких как селена, серебра, кремния, цинка, глинистых минералов. Практическое использование результатов исследований фундаментальной науки в области нанотех- нологий при решении инженерных задач, в частности пищевой индустрии, является одной из приоритетных современных научнотехнических проблем [5].

Все способы получения систем, содержащих наноразмерные частицы, подразделяются на методы диспергирования и методы агрегации. Диспергирование как технологический этап определяет эффективность протекания технологий производства целого ряда продуктов как растительного, так и животного происхождения. Использование ультразвукового воздействия в технологии производства напитков позволяет интенсифицировать процесс диспергирования, тем самым улучшая их органолептические показатели и качество в целом [6]. Вместе с тем технология использование ультразвукового воздействия эффективна для гетерогенных систем, содержащих жидкую фазу.

Методы диспергирования твердых материалов как широко распространенные в пищевом производстве достаточно изучены и аппаратурно оформлены. Однако следует помнить, что основным недостатком механических способов измельчения является возможность загрязнения измельчаемого порошка материалом размольных тел. Основным приемом минимизации этого явления, широко применяемом для подготовки проб при прецизионных методах определения химического состава материалов, является изготовление или облицовка рабочих поверхностей износостойкими материалами, в их числе спеченный глинозем [7–10]. Экономический потенциал нанопорошков глинозема с точки зрения их перспективности оценивается как высокий [11].

Спеченный глинозем (окись алюминия, повергшаяся дополнительной температурной обработке) выпускается в различных фракциях в зависимости от степени измельчения и размеров кристаллов. Различные сорта этого материала выполняют различные функции в составе материалов и придают им дополнительные свойства, и в частности высокую плотность частиц за счет их небольшого размера, как результат – повышение механической прочности и устойчивости к истиранию и износу (см. рисунок). В этом плане материал привлекателен для облицовки рабочих поверхностей размольных агрегатов, в том числе в пищевой промышленности.

Для размольных агрегатов актуальным является износостойкость рабочих поверхно-

Сжатие наночастиц диаметром 6 нм со скоростью деформации 1/нс при температуре 300 К

стей, методы и средства регулирования которой требуют соответствующих исследований и инженерного обеспечения.

Разработанная методология исследования нанопорошков алюминия [12, 13] может слу- жить основой для исследования и соединений алюминия, в том числе окислов. На рисунке приведены результаты молекулярно-динамического моделирования ударно-волнового компактирования нанопорошка [13].

В настоящее время развиваются методы генерации ультракоротких ударных волн в твердых телах интенсивным лазерным излучением пико- и фемтосекундной длительности, которое может создавать импульсы ударного сжатия длительностью десяткипикосекунд и амплитудой от единиц до десятков гигапаскалей [14–19]. Импульсы ударного сжатия могут использоваться для консолидации порошков металлов и других материалов [20, 21].

Специфика сжатия ударной волной состоит в локализации зоны высоких температур вдоль поверхности компактируемых частиц, что позволяет сохранить микроструктуру их внутренних частей. Такое сжатие может приводить к формированию микро или нано-структурированных металлов [22, 23], неметаллических соединений [24–27] и композитов [28–31]. В настоящее время ударная волна для компактирования порошка генерируется детонацией заряда взрывчатого вещества [27– 29], либо высокоскоростным ударником, ускоряемым газовой пушкой [22, 23, 26, 30] или магнитным полем [29], либо мощным лазерным облучением слоя вспомогательного материала [26].

Из всего многообразия современных нанотехнологий технологический процесс селективного лазерного плавления (спекания) достаточно разработан и рассматривается как один из перспективных методов аддитивного производства [32]. Данная технология универсальна, многофункциональна, и как инновационное решение может быть использована для получения износостойких материалов при производстве пищевых наносистем путем диспергирования.

Одним из актуальных направлений дальнейшего развития целесообразно исследование размолоспособности пищевых систем, обеспечивающих энергоэффективность получения наноразмерных добавок в условиях оптимизации их получения как элемент системного подхода к решению этих вопросов.

Таким образом, показана актуальность использования в пищевой промышленности технологий с применением современных наноразмерных добавок, что ставит задачу разработки технологий производства износостойких материалов при производстве пищевых наносистем путем диспергирования. Одним из направлений в части повышения износостойкости материалов является использование плавленого глинозема (окиси алюминия).

Описанные механизмы повышения прочности показали перспективность применения селективного лазерного плавления (спекания) для получения износостойких материалов в пищевом инжиниринге. Разработанная методология исследования нанопорошков алюминия может быть использована для исследования соединений алюминия, в том числе спеченного глинозема, используемого в методах и средствах контроля углеродных материалов при пробоподготовке в высокотехнологичной современной аппаратуре.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.