Обширный материал, накопленный в результате исследований в области получения гранулированных пищевых продуктов, в настоящее время представляет собой совокупность частных решений (в основном - эмпирических) и не дает представления о складывающихся теоретических основах, экономической целесообразности, энергоемкости и настоятельно требует систематизации и обобщения.
Построение модели получения продукта определяет и выбор оборудования для технологического потока [1, 11]. В теории систем при принятии наиболее рациональных решений и оптимизации управления системой в самом широком значении этого термина привело к появлению в рамках системного анализа раздела, касающегося принятия решений в условиях, так называемого, уникального выбора [6, 11].
Ситуация уникального выбора характеризуется тремя необходимыми элементами: существованием проблемы, требующей решения; наличием проектировщика технологии или технологического потока, принимающего решения; несколькими альтернативами, из которых осуществляется выбор.
Из литературных источников [2, 8, 9] известен целый ряд технологий получения быстрорастворимых продуктов. Рассмотрим основные принципы их систематизации. Как правило, в часто повторяющихся ситуациях решения так же повторяются и переносятся, исходя из критерия подобия, на аналогичные задачи. Очевидно, что именно трудные, нестандартные, по-своему уникальные ситуации заслуживают особого внимания проектировщиков технологических потоков.
При этом необходимо иметь в виду ряд особенностей принципов систематизации технологий получения быстрорастворимых продуктов.
1. Многокритериальный характер рассмотрения проблем.
Обычно не удается привести полную оценку каждой из предложенных альтернатив, только по какому либо одному численному критерию, например, по пористости или по растворимости. При проведении же многокритериальной оценки каждой альтернативы возникают две проблемы:
- нерешенность вопроса о том, все ли существенные показатели учтены (вопрос о полноте списка показателей);
- методологические трудности одновременного сравнения различных по своей природе критериев, например, нативных и вкусовых качеств продукта, а также его пористости, растворимости, влагоёмкости, прочности.
2. Субъективизм оценок качества альтернатив.
Субъективизм оценок качества альтернатив проявляется даже в случае их оценки с помощью одного критерия, тем более - в многокритериальном случае.
Подобные трудности делают процесс решения проблемы оптимального выбора весьма непростым. Выходом из создавшейся ситуации явилось создание институтов экспертов, например, комиссии по оценке органолептических свойств продуктов питания. Проблема выбора упрощается, когда имеется большое количество публикаций и патентов, систематизированных по определенным техническим показателям, которые позволяют разработчикам технологических потоков в максимально возможной степени повысить уровень структуризации проблемы, сделать ее более прозрачной.
Повышение степени структуризации проблемы - одна из основных задач системного анализа. Рассмотрим, какими методами решаются проблемы, сводимые к сравнению альтернатив.
Общий алгоритм действий при решении проблем уникального выбора состоит из следующих этапов:
- Определение ресурсов и целей;
- Определение альтернативы решения проблемы;
- Аналитическое сравнение между собой альтернатив;
- Выбор наиболее предпочтительной альтернативы.
Первые два этапа в значительной степени зависят от специфики проблемы. На современном уровне системной инженерии они требуют уже на этапе составления научного обоснования, технико-экономических решений и технического задания учитывать закономерности развития технологического потока, необходимость модернизации и перепрофилирования производства, возможное изменение количества сырья, квалификацию персонала и прочее. Исключение из рассмотрения вышеперечисленных факторов может привести уже в достаточно близкой перспективе к бессмысленности реализации самого проекта. Возросла роль предпроектных исследований - как научно-технических, так и экономических и экологических.
Кроме того, чем сложнее структура создаваемого технологического потока, чем больше в нем операций и связей, тем больше требуется усилий для организации его нормального функционирования. Вновь создаваемый объект (технологический поток) будет действовать уже по своим законам. Поэтому система машин (технологическая линия) должна быть построена с учетом закономерностей системы процессов конкретной технологии.
Пищевое производство - это системный комплекс целостных систем. При анализе одной из целостных систем (системы процессов) предметом изучения оказывается, прежде всего, её структура, законы соединения частей в единое целое, её интегративные закономерности. При анализе системного комплекса предметом изучения становятся связи и отношения двух или нескольких объектов - систем, образующих полисистемный комплекс.
Таким образом, методологический цикл создания высокоэффективной технологической линии должен быть следующий: «от технологического потока - к системе процессов и от системы процессов - к системе машин». В этом методологическом цикле наиболее наукоёмким понятием является система процессов [6].
Комплексное исследование включает обзорный анализ аналогичных процессов полидисперсных систем в других отраслях производства. В данной работе комплексно изучались исследования в металлургической [3, 12], химической [4], сельскохозяйственной [12] и пищевой отраслях промышленности. Только в итоге всех перечисленных исследований можно окончательно уточнить проблему с учетом возможного развития структурообразования в дисперсных системах. Затем уже указываются цели, реализация которых будет способствовать решению проблемы по созданию гранулированных напитков.
Решение этой проблемы неразрывно связано с влиянием технологических факторов на процесс формирования полидисперсных гранулированных продуктов.
Отличительной особенностью технологического процесса получения различных материалов на основе дисперсных систем является наличие технологической операции, при которой предварительно подготовленным растворным или формовочным смесям придается определенная форма с необходимыми геометрическими размерами [8, 9, 10]. Операция формования предопределяет качество изделий в их конечном виде. Осознавая этот факт, в заводской и исследовательской практике делается все возможное по обеспечению максимальных формовочных свойств влажных материалов. При этом для оценки формовочных свойств широко используются всевозможные реологические и структурно-механические характеристики, а также их взаимосвязь с влагосодержанием материалов. Например, в технологии гранулирования удобрений свойства смеси оцениваются по адгезионным свойствам порошков, по сыпучести, пластической прочности, вязкости, предельному напряжению сдвига, [11] и формовочные свойства в их взаимосвязи с весовой влажностью.
Под влиянием внешнего механического воздействия формовочная масса, обладающая в своем конечном состоянии свойствами статической структуры, превращается в динамичную систему с присущими ей изменениями структурных и фазовых характеристик. Поэтому изучение этих изменений и установление закономерности уплотнения влажной дисперсной системы целесообразно и с научной, и с практической точек зрения.
Проведённые компрессионные испытания для всех материалов позволили определить удельную поверхность, истинную плотность и наименьшая капиллярную влажность. Анализ полученных результатов позволяет выявить некоторые закономерности поведения влажных материалов при их уплотнении:
- объемная концентрация твердой фазы имеет максимальное значение при влажностях близких к наименьшей капиллярной;
- при этой же влажности содержание газовой фазы в системе оказывается минимальным, что можно объяснить степенью развития гидратных оболочек на поверхности твердых частиц и величиной критического давления, необходимого для сжатия системы;
- при величине отношений (Кж+Кт/Кт)=1 или dп/dч=1 влажная дисперсная система переходит в качественно новое состояние концентрированной суспензии, способной деформироваться под воздействием силы тяжести;
- толщина газожидкостной прослойки между твердыми частицами составляет (5×10-7) - (3,3×10-6) м, что согласуется с порядком величины прослойки, приводимой в своих работах Н.Б.Урьевым [11] и рассчитанной на основе теоретических соображений. Если принять диаметр молекулы воды равным 0,276 нм, то при наименьшей капиллярной влажности поверхность частиц удерживает примерно 1800 слоев молекул воды. Несомненно, что эта величина является достаточно условной, но все-таки она дает некоторое представление об удержании влаги материалом.
Характерно, что толщина газожидкостной прослойки при увеличении влагосодержания массы по разному меняется у всех исследованных материалов, причем это отличие особенно наглядно проявляется у смесей, обладающих достаточно грубодисперсным зерновым составом. Увеличение влажности масс на их основе приводит к интенсивному увеличению толщины прослоек, уменьшению сил межчастичного взаимодействия и, как следствие, к резкому изменению механических свойств массы в сравнительно узком интервале ее влагосодержания.
Для всех исследованных материалов характерно неадекватное изменение объемной концентрации твердой фазы при соответствующем изменении влагосодержания масс.
Влияние гранулометрического состава массы на уплотняемость можно объяснить следующим образом. Представим, что смесь состоит из двух основных частей - грубодисперсного структурного каркаса с размером частиц от 400 мкм до 5 мкм и образованного фракциями шрота и сахарной пыли - тонкодисперсной фракции, которая располагается в промежутках между крупными частицами.
Из экспериментов видно, что количественное соотношение грубодисперсных и тонкодисперсных частиц для разных смесей является различным, соотношение между размером частиц грубодисперсного каркаса и тонкой фракции колеблется у них в пределах от 10 до 100. Грубодисперсный каркас, состоящий из частиц аронии грубого помола почти не взаимодействующего с водой при комнатной температуре и в течении времени гранулирования и сушки (40-60 мин).
Тонкая фракция, состоящая из частиц крахмала, весьма активно взаимодействует с жидкой фазой, которая в результате протекания коллоидно-химических процессов превращается в поровое вещество коллоидного уровня дисперсности. Процесс гидратации частиц мелкодисперсной составляющей смеси приводит к образованию вещества новой природы, с меньшей истинной плотностью, чем у самой смеси, в результате чего объемная концентрация твердой фазы в системе увеличивается. Гидратированные составляющие смесей выполняют при этом роль основного влагоудерживающего компонента дисперсной системы. Количественное соотношение грубодисперсного каркаса и порового вещества оказывает решающее влияние на процесс уплотнения гранул. Поровое вещество или суспензия выполняет роль пластифицирующего и водоудерживающего компонента. Если его содержание будет недостаточным, то влага, удерживаемая каппилярными силами, при сжатии такой массы будет быстро выжиматься.
Обычно такое явление наблюдается у масс содержащих только грубодисперсную твердую фазу, которые после отжатия жидкой фазы, воспринимают прикладываемое усилие жестким каркасом, не способным к уплотнению из-за отсутствия в достаточном количестве пластифицирующего вещества, которое обеспечивает взаимную перегруппировку частиц грубодисперсного каркаса. Дефицит пластифицирующего вещества, если таковой имеется, в смесях обусловливает уплотнение влажных масс при преимущественном развитии эластических деформаций, в то время как уплотнение смесей без дефицита происходит при преобладающем развитии пластических деформаций, так как они содержат достаточное количество пластифицирующего порового компонента [8, 9]. При уплотнении пластичных масс достигается лучшее соответствие между процессами уплотнения твердой фазы и фильтрационным перемещением жидкой фазы в массе, которая перемещается не в виде свободной влаги, а в виде структурированной поровой суспензии. Изменяя концентрацию поровой суспензии в массе и регулируя ее коллоидно-химические свойства, можно целенаправленно воздействовать на уплотняемость масс и их формовочные свойства [13].
Таким образом, на основании проведенных исследований по компрессионному уплотнению смесей, можно сделать вывод о том, что метод компрессионных испытаний, также как и метод капиллярной пропитки, является весьма простым, надежным и достаточно информативным инструментальным методом исследования трехфазных дисперсных систем, поведение которых при уплотнении предопределяется, в основном, физико-химическими составами веществ, входящих в смесь, размером частиц и гранулометрическим составом твердой фазы дисперсной системы.
Помимо свойств самой формуемой среды на качество готового продукта значительное влияние оказывают технологические параметры процессов смешивания, окатывания, сушки.
Рецензенты:
Киселёва Т.Ф., д.т.н., профессор кафедры «Технология бродильных производств и консервирования» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», г. Кемерово.
Шевченко Т.В., д.т.н., профессор кафедры «Общая и неорганическая химия» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», г. Кемерово.
Библиографическая ссылка
Попов А.М., Доня Д.В., Якимчук К.С., Михайлова И.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТОКА ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12239 (дата обращения: 21.11.2024).