Научное обеспечение процесса измельчения пищевых сред

Процессы измельчения условно подразделяют на дробление (крупное, среднее и мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). Измельчение материалов осуществляют путем раздавливания (рис. а), раскалывания (рис. б), истирания (рис. в) и удара (рис. г).

Рис. Способы измельчения продуктов: а — раздавливанием; б — раскалыванием; в — истиранием; г — ударом

В большинстве случаев эти виды воздействия на материал используют комбинированно; при этом обычно основное значение имеет один из них, что обусловлено конструкцией машины, применяемой для измельчения.

В зависимости от физико-механических свойств и размеров измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких — раздавливанием и истиранием.

Результат измельчения характеризуется степенью измельчения, равной отношению среднего характерного размера D куска материала до измельчения к среднему характерному размеру d куска после измельчения

Измельчение осуществляется под действием внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. При дроблении куски твердого материала сначала подвергаются объемной деформации, а затем разрушаются по ослабленным дефектами (макро- и микротрещинами) сечениям с образованием новых поверхностей. Куски продукта дробления ослаблены трещинами значительно меньше исходных. Поэтому с увеличением степени измельчения возрастает расход энергии на измельчение.

Измельчение можно производить раздавливанием, разрыванием, растяжением и резкой. Нарезанные куски имеют правильную, заранее выбранную форму с ровными краями и обычно в дальнейшем подвергаются только тепловой обработке. При дроблении частицы продукта имеют неправильную форму и в большинстве случаев подвергаются дальнейшему тонкому измельчению.

Резание — процесс механического расчленения продукта с помощью вклинивающегося в него рабочего органа. Резание пищевых продуктов осуществляют для того, чтобы отделить от массива продукта определенную его часть, для разделения продукта на частицы заданных формы и размеров и для измельчения продукта без предъявления требований к форме частиц.

Резание как один из способов измельчения производят лезвием ножа, ножевыми рамками, гребенками или пильным зубчатым полотном, которое при этом вклинивается в измельчаемую продукцию, вызывая в поверхности контакта напряжения, достаточные для преодоления всех сопротивлений, возникающих в ней в момент разрушения. К резательным машинам предъявляются следующие требования: конструкция ножей должна быть универсальной, т.е. она должна позволять регулировать толщину отделяемых кусков без замены ножей; лезвие ножей должно изнашиваться равномерно по всей его длине; ножи должны отделять куски продукции путем резания, а не отрыва их; куски продукта должны иметь заданную форму и размеры.

Для резки продукта нож должен совершать одновременно два силовых движения — перпендикулярно лезвию и параллельно ему. При этом микроскопические зубцы перерезают волокна и клетки измельчаемого продукта (рис.). Резание может быть рубящим или скользящим .

Рис. Схема поступательного и параллельного движения ножа

Для осуществления процесса резания ножами продукции сообщается вращательное, поступательное, планетарное, возвратно-поступательное или сложное движение.

Резание происходит в поле гравитационных, центробежных, втягивающих или толкающих сил, создаваемых режущими или специальными рабочими органами машины. Эти силы используются для обеспечения подачи продукции в зону измельчения и отвода ее из машины.

Форма, заточка и движение ножей, применяемых для резания пищевой продукции, зависят от рода, физико-механических и структурных свойств измельчаемой продукции, качества среза и формы продукта, получаемого в результате резания.

Для извлечения сахара из свеклы путем диффузии требуется измельчить свеклу в стружку. Процесс получения стружки из свекловичного корня осуществляется в свеклорезальных машинах при помощи диффузионных ножей, которые установлены в специальных рамах.

Производительность диффузионной установки и содержание сахара в обессахаренной свекловичной стружке в большой степени обусловлены ее качеством. Поверхность стружки должна быть возможно большей, так как с ее увеличением ускоряется процесс диффузии. Однако при этом стружка должна быть упругой, иметь определенную механическую прочность. Хорошим показателем качества стружки может являться проницаемость ее слоя при определенных температуре и давлении на слой.

Более предпочтительна желобчатая стружка, так как при этой форме повышается ее упругость. Кроме того, желобчатая стружка при той же толщине имеет большую поверхность.

Для получения качественной свекловичной стружки на центробежных или дисковых свеклорезках необходимо, чтобы свекла в процессе резания с достаточным усилием прижималась к поверхности ножей и внутренней поверхности барабана или диска свеклорезки. Для центробежных свеклорезок с диаметром барабана 1200 мм и скорости резания 8,2 м/с давление на внутреннюю поверхность ножевого корпуса составляет около 40 кПа, а для дисковых свеклорезок при высоте слоя свеклы в бункере 3 м — 30 кПа, а в барабанной свеклорезке давление от действия центробежной силы достигает 80 кПа.

Другим распространенным видом измельчающего оборудования являются вальцовые станки, в которых измельчение пищевого сырья достигается в основном за счет раздавливания и истирания.

Вальцовый станок в значительной мере определяет производительность, эффективность и стабильность работы последующего технологического оборудования.

Измельчение зерна и промежуточных продуктов в вальцовых станках осуществляется в клиновидном пространстве, образованном цилиндрическими поверхностями двух параллельных вальцов, вращающихся навстречу друг другу с различными скоростями. Разрушение зерен происходит в результате сочетания деформаций сжатия и сдвига. Причем преобладание того или иного типа деформации зависит от отношения скоростей вальцов и взаимного расположения несимметричных рифлей на поверхности вальцов.

Эффективность работы вальцовых станков определяется степенью измельчения зерна или его частиц, производительностью каждой пары вальцов и удельным расходом электроэнергии.

Зазор между вальцами устанавливают в зависимости от физико-механических свойств измельчаемого продукта и места в технологической схеме (процессы драный, шлифовочный и размольный). Он колеблется в сравнительно широких пределах — от 0,05 до 1 мм. Так, например, на I драной системе номинальный зазор между приваленными невращающимися вальцами должен быть 0,8... 1,0 мм; на II драной — 0,6...0,8; на III драной крупной — 0,4...0,6; на III драной мелкой — 0,2...0,4; на IV драной — 0,2...0,3; на размольных системах с рифлеными вальцами — 0,1...0,2 мм, а на остальных размольных системах — 0,05 мм.

Например, удельная нагрузка на I драную систему составляет 32...35 кг/(см-ч), а на 1-ю размольную — 7...8 кг/(см-ч).

Гомогенизацией называется процесс измельчения жидких и пюреобразных пищевых продуктов за счет пропускания под большим давлением с высокой скоростью через узкие кольцевые щели. В результате воздействия на продукт различных гидродинамических факторов происходит дробление твердых частиц продуктов и их интенсивная механическая обработка. После гомогенизации количество диспергированных частиц увеличивается примерно в 200.. .500 раз, а их суммарная поверхность — в 6.. .8 раз. Гомогенизация не только изменяет дисперсность белковых компонентов продукта, но и влияет на физико-химические свойства продукта (плотность, вязкость, однородность состава и др.).