Дипломная работа: Впровадження технології експандування при виробництві кормів
Експандування
Експандування основане на гідротермічному обробітку корму під тиском. Принцип дії екструдерів і експандерів однаковий – в шнековому робочому органові продукт розігрівається, ущільнюється і випресовується. Однак режими обробітку істотно відрізняються.
В екструдерах продукт розігрівається тільки за рахунок тертя при русі по витках шнека і активному перемішуванню під тиском. Регулювання температурного режиму обробітку досягається в екструдері тільки за рахунок змінних робочих органів (кільця, «граючої» шайби). Затрати електроенергії при цьому складають 100-150 кВт/год. Екструдування комбікормів проводиться при вологості 12-14%. Втрата вологи при охолодженні готового продукту складає 5-8%, тому він виходить занадто сухим - вологістю 6-8%.
Обробіток в експандері здійснюється при при більш високій вологості. Західні фірми «Амандус Каль», «Альмекс» та інші рекомендують проводити обробіток при вологості до 26%. Продукт розігрівається за рахунок воду пара і тертя.
При одних і тих же температурних режимах( 115-145о ) обробіток в експандері при підвищеній вологості протікає в менш жорстких умовах. Справа в тому, що в екструдері через понижену вологість на окремих ділянках «місцеві» опори руху продукту можуть зрости до значних величин, викликаючи «місцеве» підвищення температури, хоча загальний температурний режим залишається попереднім. Як в екструдерах, так і в експандерах можна за рахунок зміни режимів обробітку отримують готовий продукт різної щільності, т.б. комбікорми, плаваючі і повільно тонучі.
Експандуювання забезпечує слідуючі переваги: увід великої кількості рідких компонентів – масла, жиру,меляси та ін.; знешкодження шкідливих для живлення компонентів; покращення якості і засвоюваності комбікормів; більш високу продуктивність пресу для гранулювання, кращу якість гранул; використання більш дешевої і складної для гранулювання сировини.
Нормальна робоча температура при обробітку комбікормів для птиці і свиней знаходиться в діапазоні від 105 до 110о С. Можна досягти тиску до 4 МПа і температури до 130о С, та всього лише на короткий період, так як при загальному часі проходження продукту через експандер складає декілька секунд.
На виході із експандера продукт миттєво втрачає навантаження, а добавлена рідина в значній степені випаровується. Називається це блискавичним випаровуванням, тому послідуюче сушіння готового продукту не потрібно. За рахунок випаровування рідини температура падає до 90о С. В залежності від рецептури, температури продукту і тиску готовий продукт може мати структуру тіста, товстих пластівців або комків.
Розхід енергії складає 5-10 кВт*год./т при виробництві кормів для птиці і свиней і 15 кВт*год./т – для крупного рогатого скота.
Гранульований експандат містить в собі одночасно переваги гранульованих і розсипних комбікормів. Кожна частина містить всі складові компоненти. Розподіл частинок дуже рівномірний. Обробіток в експандері зменшує загальну обсемененість сировини. Повністю знищуються коліобразні бактерії, кишкова палочка, плісняві грибки і сальмонели.
Процес роботи експандера полягає в наступному. Оброблюваний матеріал завантажують в бункер, який подається живильником в змішувач-дозатор, з якого дозовано подається в накопичувальний бункер. Із бункера-накопичувача експандера матеріал у виді неоднорідної сипучої маси поступає в першу зону нагнітаючого шнеку. Тут матеріал захоплюється шнеком і переміщується до слідкуючої зони. В першій зоні матеріал частково заповнює міжвитковий об’єм шнека , та не повністю покриває поверхню витків шнека і шнекової камери. Частинки матеріалу в першій зоні переміщується основному поступово, а від обертального руху вони утримуються силою власної ваги.
У другій зоні, на відміну від першої, сипуча вага ущільнюється і ступінь зв’язаності її частинок збільшується. Спочатку заповнюється вільний міжвитковий об’єм шнеку, а потім ущільнення маси проходе внаслідок зменшення проміжків між його частинками і витісняє значну кількість повітря. У другій зоні маса добре перемішується, підлягає поступовому стисненню і максимально ущільнюється. В цій зоні матеріал підлягається дії вологого пару, утвореного внаслідок дії температури на продукт. Оброблений вологим паром матеріал ущільнюється шнеком і просувається до третьої зони.
В третій зоні, окрім головної операції пресування шнек шляхом інтенсивного перемішування і проминки матеріалу під тиском сприяє переходу його в пружноплаский стан. Процес перемішування і пресування характеризується ще і тим, що безпосередньо контактуючі шари матеріалу мають різні швидкості, внаслідок чого між ними діють напруження здвигу. Тому окрім перемішуваного ефекту утворюється ще і внутрішнє тертя, яке приводе до розтирання частинок і отримання однорідної структури матеріалу.
В кінці третьої зони спресований матеріал виходе із площіни шнека і поступає в четверту зону у вигляді закрученого пульсуючого вязопластичного потоку. Тут ця вязопластична маса переборює силу тиску четвертої зони, обумовлену опором формуючих отворів матриці.
При випресовувані через них вязопластичної маси форма її потоку кінцево змінюється відповідно кількості і формі поперечного перерізу отворів матриці. Об’єм маси отримуваного продукту при виході із отворів матриці в зв’язку з різким падінням тиску збільшується за рахунок пружної деформації, що створюється внутрі оброблюваного матеріалу. внаслідок того, що довжина матричного каналу мала, відновлювальний процес відсутній і видавлюючи через отвір матриці продукція має спучену, пористу структуру.
Термодинамічні основі екструдування:
В основі екструдування кормової сировини лежить два процеси – механіко-хімічна деформація і «вибух» продукту на фронті ударного розрідження. Останній відбувається внаслідок різкого переносу продукту із зони високого тиску в область атмосферного. Обидва процеси безперервні і проходять при певних швидкостях підводу і відводу тепла і тиску.
Екструдування полягає в тому, що приготовлена сировина подається через завантажувальний бункер в машину. По мірі переміщення частинок в робочій камері збільшується ступінь стиску, який визначається відношенням площі робочого каналу і сумарній площі філер на виході продукту із матриці. Ущільнюючись продукт розігрівається як за рахунок сил тертя частинок об поверхню обертаючих ся робочих органів і деформації здвигом в самому продукті, так і за рахунок додаткового джерела тепла. Як показали досліди, під дією цих двох факторів, тобто фактора деформаційних навантажень і теплоти, майже вся зернова сировина може бути підвернена фазовим перетворенням із крихкого склоподібного стану спочатку у високо еластичний, потім у вязотекучий.
Фазові переходи стану матеріалу і його компонентів дозволяють весь процес екструдування поділяти на ряд технологічних зон – завантаження, стиску, гомогенізації і екструзії.
В зоні завантаження змін в продукті практично не спостерігається. Високоеластичного стану продукт набуває в зоні стиску. Тут відбувається часткове руйнування кліткової архітектоніки продукту, структури і текстури його природних компонентів – крохмального і целюлозно-лінгвінового.
В зоні гомогенізації продукт набуває особливого стану – вязотекучий. В окремих біополімерах: білку, крохмалю, клітковини з’являються структурні перетворення.
Головні і найбільш важливі зміни в перелічених компонентах відбуваються в зоні екструзії при швидкому переносі матеріалу із зони високого тиску в область атмосферного. Акумульована продуктом енергія вивільнюється зі швидкістю приблизно рівною швидкості вибуху, що приводе до спучування, «вибуху» продукту, що супроводжується глибокими перетвореннями структури і властивостей окремих живильних речовин.
2.3 Обґрунтування процесу експандування
Вченими багатьох країн світу проводився ряд досліджень, що доводять переважні властивості експандату. Одне з досліджень стосувалося розщеплення крохмалю при експандуванні. Розщеплення крохмалю покращує травлення у тварин. Питання розщеплення крохмалю найбільш актуальний для поросят. Велика частка розщепленого крохмалю дозволяє поросятам перетравлювати крохмаль ще до його надходження в товсту кишку - тим самим усувається причина виникнення проносу, а стабілізація шлунково-кишкового тракту особливо важлива для маленьких тварин.
Основні переваги експандату:
- Крупка на відміну від дерті не настільки тверда, тому не травмує стравохід і шлунок тварин;
- Експандат крупно-зернистий, тому не утворює пилу і тим самим не викликає налипання на органи травлення і дихання;
- Експандат зберігає стабільність та стійкість при транспортуванні;
- Експандат має велику поверхню частинок і пористу структуру, що забезпечує більш легке проникнення шлункового соку і власних ферментів у експандат;