Современные технологические схемы измельчения зерна, тенденции их развития
Общие положения. Современные технологии переработки зерна изобилуют разнообразием технологических схем измельчения. Характерной структурной особенностью их является этапность. Простые схемы измельчения включают один или несколько этапов. Сложные схемы многоэтапны. Функциональное назначение этапов как в сложных, так и простых схемах одинаково и определяется видом измельчения. При простом измельчении основная цель этапа сводится к образованию и извлечению наибольшего количества мелких частиц. При избирательном (селективном) измельчении задача этапа значительно усложняется и сводится к следующему: разорвать связи между анатомическими частями зерновки, продукты измельчения рассортировать по крупности и направить их по фракциям соответственно на последующее первичное измельчение, обогащение, размол и формирование потоков муки. Тогда число этапов при простом измельчении определяется в основном измельчительной способностью измельчителя и крупностью исходного и готового продуктов. При сложном измельчении число этапов будет дополнительно зависеть и от избирательной способности измельчителя. Таким образом, многоэтапность является основным критерием определения сложности схем измельчения как при простом, так и сложном измельчении.
Из большого многообразия технологических схем измельчения пищевых продуктов наибольшей многоэтапностью обладают схемы обойных и особенно сортовых помолов зерна пшеницы, что обуславливает необходимость их интенсификации.
Характерные особенности развития схем обойного и сортового помолов зерна пшеницы и ржи.
Технологические схемы обойного помола были организованы по принципу последовательного измельчения зерна в несколько этапов. Отбор муки производится после каждого этапа. Этот принцип сохранился и в современных технологических схемах. Основной измельчительной машиной традиционно остался вальцовый станок. Совершенствование схем осуществлялось по следующим направлениям: предварительное шелушение зерна в подготовительном отделении; применение вальцов диаметром 300 и 350 мкм; применение радиально-бичевых машин после вальцовых станков и др. Первые два направления не нашли применения в современных технологиях вследствие экономически неоправданного повышения расхода электроэнергии. Последнее направление получило распространение в практике, несмотря на усложнение аппаратурного оформления и повышения расхода энергии. Оно позволяет значительно снизить нагрузку на рассевы и повысить дисперсный состав муки.
Сортовые помолы без обогащения промежуточных продуктов имеют более развитую структуру. Они включают несколько размольных систем, что обеспечивает получение не только обдирной, но и сеяной муки. Интенсификация помолов была произведена аналогично обойному помолу. Однако применение радиально-бичевых машин не нашло в практике широкого распространения.
Значительный шаг в интенсификации сортового помола ржи был сделан при разработке схемы односортного 63%-го помола ржи. Особенность его заключалась в применении перед драным процессом плющильной системы, которая позволила получить на драных системах больше промежуточных продуктов высокого качества, а на размольных — муку сеяную. В этой технологии особого внимания заслуживает режим плющильной системы и ее техническая характеристика. Общее извлечение промежуточных продуктов через сито 1,0 не должно превышать 1,0 %, а соотношение скоростей микрошероховатых вальцов должно быть равно 1,0. Такой технологический прием позволяет разупрочнить зерно и известен в теории интенсификации технологических процессов как предразрушение. Его применение позволило снизить затраты электроэнергии на измельчение в среднем до 30 % и достичь более высокого качества готовой продукции.
Сложные помолы зерна пшеницы с развитым обогащением промежуточных продуктов наиболее многочисленны. Это схемы односортного 72%-го, двухсортного 75 и 78%-го, трехсортного 75 и 78%-го помолов и др. Методология их построения аналогична. Интенсификация была проведена во второй половине XX ст. при переходе на высокопроизводительное комплектное оборудование. Отличительной особенностью схем на комплектном оборудовании является более сокращенные драной, сортировочный и шлифовочные процессы. Упрощение технологии достигнуто в основном благодаря разработке и применению новых технических и технологических решений, прогрессивных методов организации и ведения технологического процесса. Это прежде всего раздельная переработка высоко- и низкостекловидного зерна пшеницы соответственно в секции А и Б, стабилизация нагрузки на первой драной системе посредством весового дозирования автоматическими весами, доизмельчения продуктов вальцовых станков в энтолейторах и деташерах, измельчения крупок и дунстов на микрошероховатых поверхностях вальцовых станков и др., внедрение высокоэффективного технологического оборудования: вальцовых станков типа А1-БЗН; ситовеечных машин А1-БСО; рассевов РЗ-БРБ и РЗ-БРВ.
Современные тенденции развития технологических схем измельчения зерна. Структурные построения рассмотренных технологических схем переработки зернового сырья показывают, что наиболее сложные и развитые схемы измельчения реализованы в сложных помолах с развитым обогащением промежуточных продуктов. Другие схемы измельчения пищевых продуктов составлены из меньшего числа систем и этапов измельчения, менее протяженны и представительны для анализа. Поэтому формирование тенденций и направлений развития рассмотрим на примере совершенствования технологических схем сложных помолов.
В технологии производства муки такие схемы многочисленны и каждая имеет свои особенности, определяемые в основном широкой изменчивостью технологических свойств зерна, качеством и ассортиментом вырабатываемой муки. Анализ такой совокупности схем представляет собой неординарно-сложную, научно-техническую и экономическую задачу. Поэтому в данной работе ограничимся анализом развития схем при реализации их на традиционном и комплектном оборудовании. В основу анализа схем принимаются их следующие характерные особенности: многоэтапность, протяженность, изменение структурно-механических свойств измельчаемого продукта от этапа к этапу, удельные затраты электроэнергии и удельная материалоемкость основного измельчительного оборудования.
Число систем в схемах измельчения при переходе от традиционного оборудования к комплектному оборудованию сократилось в среднем с 43 до 32...33. При этом выход муки высшего и первого сортов повысился соответственно до 50...55 и 40...45 %, а удельный среднестатистический расход электроэнергии на 1 тонну муки повысился до 105...120 кВт*ч/т. Рост затрат электроэнергии обусловлен применением пневмотранспорта и доизмельчением продуктов вальцовых станков в энтолейторах и деташерах. Многостадийный характер процесса обуславливает его значительную протяженность, развитую транспортную сеть для переброски продуктов от этапа к этапу, многоэтажность здания и как следствие — увеличение затрат производства и инвестиций при строительстве.
Основной причиной многоэтапности является низкая избирательность измельчения, которая обуславливает и низкую степень измельчения. На комплектном оборудовании последняя находится в пределах нескольких единиц. Например, общее извлечение на I драной системе рекомендуется в диапазоне 25...35 %. Попытка повысить степень измельчения как в драном, так и в размольном процессах привела к значительному снижению избирательности измельчения за счет интенсивного измельчения оболочек и повышения зольности муки. Повышение степени измельчения сопровождалось резким ростом удельных затрат электроэнергии и снижением производительности.
Низкая степень измельчения в вальцовых станках обусловлена, с одной стороны, реализуемым способом измельчения, основанным на однократном приложении усилий сжатия и сдвига, а с другой — существенным изменением структурно-механических свойств зерновки по мере ее разрушения. В соответствии с концепцией Раздорского и исследованиями Куприца, цельное зерно представляет собой некоторое природное инженерное сооружение, имеющее достаточно прочный каркас эллипсоидной формы, армированный наиболее прочной анатомической частью зерна — оболочкой. При приложении внешних усилий каркас ведет себя как монолитная конструкция. Продукты размола на драных системах еще сохраняют элементы этого каркаса. Однако по мере извлечения эндосперма возрастает доля оболочек в измельчаемой смеси. Прочность оболочек, по данным многочисленных исследований В. Я. Гиршсона, Я. И. Куприца, С. Д. Хусида, Л. Е. Айзиковича и др., в несколько раз превышает прочность эндосперма при влажности 18 %. Продукты, поступающие на размольные системы, особенно на первые три, в основном состоят из эндосперма.
Изменение физических свойств зерна пшеницы в процессе его измельчения отмечалось и в фундаментальной работе Л. Е. Айзиковича. Он отмечает, что уже на I драной системе происходит значительное перераспределение внутренних напряжений с последующей их релаксацией во вновь образовавшихся частицах. Этот процесс повторяется в каждой последующей операции измельчения, но при другом объемно-напряженном состоянии, другом вещественном составе смеси, других условий разрушения и т. п., а в итоге — других структурно-механических свойств смеси. При этом способ разрушения в вальцовых станках, основанный на деформациях сжатия и сдвига, как при крупном, так и тонком измельчении зерна существенно не изменяется.
Изменение удельных затрат электроэнергии и металлоемкости при переходе от традиционного к комплектному оборудованию рассмотрим на примере технической характеристики вальцовых станков, приведенной в табл. 1.1.
По данным табл. 1.1, удельные затраты электроэнергии по установленной мощности на ЗМ-2, БВ-2, А1-БЗН и MDDK соответственно равны 5,28; 5,28; 5,28 и 3,6 кВт*ч/т; удельная металлоемкость — 0,81; 0,88; 0,76 и 0,45 т*ч/т; производительность на единицу занимаемой производственной площади — 1,28; 1,15; 1,03 и 1,6 т/(ч*м2).
Приведенные данные показывают, что развитие вальцовых станков идет в направлении снижения удельных затрат электроэнергии и материалоемкости, повышения уровня использования производственной площади.
Интерпретация схем хлебопекарного помола на традиционном и комплектном оборудовании позволяет определить следующие тенденции в развитии технологических схем измельчения: снижение многоэтапности и сокращения протяженности технологического процесса за счет повышения извлечения и качества промежуточных продуктов на системах измельчения; снижение удельных энергозатрат, материалоемкости измельчительного оборудования и повышения выхода муки с единицы производственной площади; повышение извлечения эндосперма и улучшения качества муки.
В развитии приведенных тенденций можно выделить перспективные направления, которым и посвящена настоящая монография: разработка научных основ структурного построения схем измельчения на основе системного анализа структурно-механических и реологических свойств зерна и зернопродуктов на этапах технологического процесса; разработка и создание новых высокоизбирательных и менее энерго- и материалоемких способов и оборудования для измельчения зерна; интенсификация процесса измельчения и технологии переработки зерна с целью сокращения ее протяженности, материало- и энергоемкости, а также повышения качества муки; разработка новых технологических схем производства обойной и сортовой муки с сокращением систем по этапам технологического процесса.