Experimental Determination of the Influence of the Peeling Machine Constructive and Operating Parameters on the Criteria of the Peeling Process Efficiency

Full Text

Введение

Уровень продовольственного использования белков, витаминов и минеральных веществ, содержащихся в зерне пшеницы, повышается с увеличением общего выхода муки. При этом увеличение выхода муки высшего сорта, при неизменном общем выходе, приводит к увеличению содержания эндосперма в конечной продукции и уменьшению ценных компонентов зерна: белков, витаминов, микро- и макроэлементов. Шелушение увлажненного зерна как способ очистки поверхности от минеральных и микробиологических загрязнений вместе с внешними плодовыми оболочками, не представляющими пищевой ценности, является наиболее рациональной и эффективной технологической операцией. В обработанном зерне сохраняется более 90 % ценных для питания человека веществ. Они перейдут в муку при обойном помоле. Из этой муки  производится хлеб с повышенными пищевыми качествами.

В результате технологической операции шелушения зерна пшеницы в машинах, сжатии и трении, продукты обработки должны состоять только из ошелушенного зерна и отделяемых оболочек [1–4]. Однако несовершенство применяемых методов и средств шелушения приводит к получению смеси из следующих продуктов: целое и дробленое, шелушеное и нешелушеное зерно; снятые оболочки и мучка; загрязнения, удаленные с поверхности зерна [5–9]. При этом эффективность процесса увеличивается, если содержание мучки, нешелушеных и битых зерен в продуктах шелушения ниже, а содержание целого ядра и снятых оболочек выше.

Цель исследования – обосновать комплексный критерий оценки технологической эффективности шелушения зерна пшеницы и выбрать оптимальные значения параметров шелушения зерна с учетом энергоемкости процесса.

Обзор литературы

Шелушение зерна – это процесс отделения наружных плодовых оболочек (для зерновых культур) или пленок (для пленчатых культур). Операция шелушения является одним из основных этапов технологического процесса получения муки и крупы. Эта операция непосредственно влияет на выход и качество конечной продукции, а также на технико-экономические показатели производства муки и крупы в целом. Проблемой шелушения зерна пшеницы и крупяных культур перед переработкой занимались многие ученые [10–13].

В исследованиях авторов представлены данные по шелушению как пленчатых культур (гречиха, рис, ячмень и др.), так и голозерновых (пшеница и др.). Эффективность процесса шелушения оценивают либо визуально, либо с помощью коэффициента шелушения [14–16]. Главной целью исследований было удалить максимальное количество оболочек вместе с наиболее ценными веществами и оставить только ядро с крахмалом. Для сохранения в зерне всех витаминов, макро- и микроэлементов (содержащихся в основном во внутренних оболочках зерна) и передачи в конечный продукт (муку, крупу) важной задачей является изучение процесса шелушения с точки зрения влияния интенсивности процесса на выход и качество продуктов шелушения. Важно установить критерии оценки эффективности процесса шелушения, в частности зерна пшеницы, при получении крупы и муки и обосновать их оптимальные значения с точки зрения технологической эффективности и затрат энергии [17–20].

Технологический эффект работы шелушильной машины может быть установлен после определения количества ошелушенного зерна и полученного целого ядра. Для характеристики используется коэффициент шелушения [16; 17]. Однако известно, что данный коэффициент достаточно легко определить при обработке пленчатых культур (ячмень, овес и др.), а при шелушении зерна пшеницы достаточно сложно отличить обработанные и необработанные зерна без использования приборов (визуально) [21–24].

Материалы и методы

Для количественной оценки технологической эффективности шелушения зерна пшеницы при выборе оптимальных кинематических и конструктивных параметров машины может быть применен обобщенный критерий эффективности. Он включает следующие составляющие, выраженные в долях единицы:

1. Относительный выход отходов шелушения

${\text{C}}_{\text{О.Ш}.}=\left(1-\frac{Q_{\text{О.З.}}}{Q_{\text{И.З.}}}\right)\le 1$ ,

где Q_и.з. и Q_о.з. – производительность машины по исходному и обработанному зерну, кг/ч.

2. Относительное снижение зольности зерна

$\Delta З=\left(1-\frac{{\text{Ç}}_{\text{О.З.}}}{{\text{Ç}}_{\text{И.З.}}}\right)\le 1$ ,

где З_и.з. и З_о.з. – зольность (в перерасчете на абсолютно сухое вещество) исходного и ошелушенного зерна, %.

3. Относительное увеличение количества битых зерен

$\Delta Б=\frac{Q_{\text{О.З.}}\cdot {Б}_{\text{О.З.}}-Q_{\text{И.З.}}\cdot {Б}_{\text{И.З.}}}{Q_{\text{И.З.}}\left(1-{Б}_{\text{И.З.}}\right)}\le 1$ ,

где Б_и.з. и  Б_о.з. – содержание битых зерен в исходном и шелушеном зерне, выраженное в долях единицы.

Если отходы шелушения состоят только из покровных тканей зерна, то они не содержат эндосперма (мучки). Попадание его в отходы шелушения свидетельствует о разрушении ядра зерна, его истирании и выкрашивании. Так как образование битых зерен при шелушении учитывается локальным критерием ΔБ, то в критерий С _о.ш. показатель содержания мучки вводить нецелесообразно.

Локальные критерии возможно применять для оценки эффективности различных режимов обработки зерна с одинаковыми механико-технологическими свойствами. Их применение весьма ограниченно для сопоставления технологической эффективности шелушильных машин различных принципов действия.

Комплексную оценку эффективности процесса целесообразно осуществлять по критериям, значения которых сопоставляются с единицей, считая ее оптимальной величиной.

Интенсивность образования отходов шелушения Е₀ можно характеризовать выражением

${Е}_0=\frac{1}{1+{\sqrt{{\left(\frac{{С}_{ОБ}}{{С}_{\text{О.Ш.}}}\right)}^2-1}}^{}}=\frac{1}{1+\frac{\Delta Об}{{С}_{\text{О.Ш}.}}}\le 1$ ,

где С_об – максимально возможный относительный выход оболочек, подлежащих удалению с поверхности исходного зерна; ΔОб – остаток покровных тканей в обработанном зерне.

При С_о.ш. = С_об значение Е₀ = 1 и, следовательно, технологический режим обработки поверхности зерна оптимален. При С_о.ш.< С_об значение Е₀ < 1 отражает сниженную эффективность процесса шелушения, характеризуемого неполным отделением оболочек. Увеличение количества отходов шелушения до значения С_о.ш. > С_об возможно только в результате полного съема оболочек и дополнительных потерь эндосперма зерна, что снижает эффективность шелушения и отражает мнимое значение критерия Е₀.

Для повышения достоверности обобщенного критерия оценки эффективности процесса шелушения дополнительно необходимо ввести составляющие, учитывающие образование битых зерен Е_б и снижение зольности зерна пшеницы Е_з.

Значение Е_б определяется выражением

${Е}_{б}=\frac{1}{1+\frac{\Delta Б}{\Delta {Б}_{н}}}\le 1$ ,

где ΔБ_н и ΔБ = Б_о.з. – Б_и.з. – нормативно допустимое и действительное содержание битых зерен соответственно.

Оптимальный режим шелушения зерна будет при ΔБ = 0 и Е_б = 1, а при ΔБ > 0 значение Е_б < 1.

Величина Е_з характеризуется выражением

${Е}_{з}=\frac{1}{1+\frac{\Delta {З}_{п}}{\Delta З}}\le 1$ ,

где $\Delta {З}_{п}=1-\frac{{З}_{э}}{{З}_{\text{И.З.}}}$  – определяемое в лабораторных условиях предельно возможное снижение зольности зерна пшеницы в результате практически полного отделения покровных тканей; З_э – зольность эндосперма зерна пшеницы.

В то же время следует отметить, что достижение 100 % отделения оболочек (Е₀ = 1) не всегда целесообразно (особенно при обойном помоле), так как при повышении интенсивности шелушения увеличивается содержание битых зерен (Е_б уменьшается) и снижается содержание в конечном продукте ценных компонентов зерна: минеральных веществ и витаминов. Выбор оптимальной интенсивности шелушения, при которой бы выполнялась основная задача шелушения отделить внешние оболочки вместе с загрязнениями при минимальном приращении дробленого зерна, является важной задачей.

Для зерна пшеницы при минимальном и максимальном содержании покровных тканей в интервале С_об = 0,04–0,08 (среднее 0,06) зона технологического оптимума критерия Е₀ находится в интервале 0,45 ≤ Е₀ < 1 [17; 24].

С учетом данных о допускаемом увеличении относительного количества битых зерен ΔБ_н = ΔБ = 2,0 % зона технологического оптимума для критерия Е_б определяется интервалом 0,5 ≤ Е_б < 1 [17; 24]. Для принятых интервалов зольности зерна и эндосперма пшеницы З_и.з. = 1,5–2,2 % (среднее 1,85 %) и З_э = 0,36–0,60 % (среднее 0,48 %) величина предельно возможного относительного ее снижения составляет ΔЗ_п = 0,74 [17; 24]. Тогда при рекомендуемом снижении зольности на 0,02 % в процессе обработки поверхности зерна на существующих машинах зона технологического оптимума для критерия Е_з будет ограничена значениями 0,03 ≤ Е_з < 1.

При известных пределах изменения каждого из частных критериев можно определить комплексный критерий эффективности:

${Е}_1=\frac{{\upsilon }_1\left({Е}_0+\frac{{\vartheta }_2}{{\vartheta }_1}{Е}_{б}+\frac{{\vartheta }_3}{{\vartheta }_1}{Е}_{з}\right)}{{\vartheta }_1+{\vartheta }_2+{\vartheta }_3}\le 1$ ,

где ϑ₁, ϑ₂, ϑ₃ – коэффициенты значимости влияния составляющих величин на результирующую функцию. Отношения ϑ₂ / ϑ₁, ϑ₃ / ϑ₁ характеризуют величину долевого вклада каждого из коэффициентов по сравнению с коэффициентом наименьшего влияния на обобщенный критерий.

Возможным является также применение размерного комплексного критерия, учитывающего энергоемкость процесса. Энергоемкость характеризуется отношением производительности машины (Q_и.з. – Q_о.з.) по отходам шелушения к среднему расходу энергии N(t) за контролируемый промежуток времени:

${Е}_2=\frac{{\upsilon }_1\left({Е}_0+\frac{{\vartheta }_2}{{\vartheta }_1}{Е}_{б}+\frac{{\vartheta }_3}{{\vartheta }_1}{Е}_{з}\right)\left(Q_{и.з.}-Q_{о.з.}\right)}{\left({\vartheta }_1+{\vartheta }_2+{\vartheta }_3\right)N\left(t\right)}\le 1$ .

При необходимости обеспечить многократную обработку зерна в шелушильной машине сопоставление результатов позволяет подбирать по каждому из значений Е₂ наиболее приемлемые конструктивные и кинематические параметры.

Опыты шелушения увлажненного и кратковременно отволоженного зерна пшеницы проводили при зольности 1,9 %, содержании битых зерен Б_и.з. = 1,0 % и различных режимах работы шелушильной машины с осредненной производительностью 0,7 т/ч. Установлено, что соотношение значений коэффициентов значимости локальных критериев Е₀, Е_б, Е_з с достоверной вероятностью 95 % может быть принято как ϑ₁ = 1; ϑ₂ = 2,5; ϑ₃ = 3 [7; 20]. Для исследования было использовано зерно мягкой пшеницы сорта Саратовская 90.

Шелушение исследуемых образцов осуществляли в производственных условиях на разработанной шелушильной машине с производительностью 0,5–1,0 т/ч. [20; 25]. Обработка протекает по принципу трения зерна о неподвижный ситовый цилиндр и подвижные абразивные круги (рис. 1). Производительность машины задается шиберной заслонкой, установленной на выходном патрубке и управляемой штурвалом через червячную передачу путем изменения площади выходного отверстия установки.

 

 

 

Рис. 1. Шелушильно-сушильная машина: 1 – корпус; 2, 3 – входной и выходной патрубки;
4 – привод; 5 – ситовый цилиндр; 6 – полый вал с отверстиями; 7 – ИК-излучатели;
8 – абразивные круги; 9 – обечайки; 10 – вентилятор

Fig. 1. Peeling and drying machine: 1 – body; 2, 3 – inlet and outlet nozzles;
4 – drive; 5 – sieve cylinder; 6 – hollow shaft with holes; 7 – infrared radiators;
8 – abrasive wheels; 9 – shells; 10 – fan

 

Шелушению подвергали зерно, очищенное от примесей, без мелкого зерна (проход сита 1,7 × 20 мм) после проведенной гидротермической обработки [7]. Фракцию дробленого ядра отбирали проходом сита диаметром 2,7 мм.
Зольность определяли по ГОСТу 10847-2019 (рис. 2)¹. Удельный расход электроэнергии N_уд определяли по показаниям амперметра, включенного в цепь питания электродвигателя.

 

 

 

Рис. 2. Оборудование для определения зольности: a) лабораторные электронные весы ADAM
HCB 123; b) печь муфельная ПМ-8

Fig. 2. Equipment for determining ash content: a) laboratory electronic scales ADAM HCB 123;
b) muffle furnace PM-8

 

Результаты исследования

При изучении процесса шелушения была поставлена задача проанализировать влияние степени открытия заслонки на выходе δ_з разработанной шелушильной машины на частные и комплексный критерии эффективности. В процессе исследований проводили обработку партий зерна в машине с различным процентом открытия заслонки (от 50 до 100 %, с шагом 10 %), определяли С_о.ш., ΔЗ и ΔБ, а также зависимости Q и  N_уд от δ_з.

В результате проведенных исследований получены следующие зависимости: выход продуктов шелушения и дробленого зерна, зольность обработанного зерна и удельного расхода электроэнергии N_уд от положения заслонки на выходе из машины δ_з, % открытия. Графики зависимостей представлены на рисунках 3–5.

 

 

Рис. 3. График зависимостей количества снятых оболочек шелушения С_о.ш. и битых зерен
ΔБ от положения заслонки на выходе из машины δ_з

Fig. 3. Diagram of dependencies of the number of peelings removed С_о.ш. and craked grains ΔБ
on the position of the damper at the exit of the machine δ_з

 

 

 

Рис. 4. График зависимости относительного снижения зольности ΔЗ от положения
заслонки на выходе из машины δ_з

Fig. 4. Graph of the dependence of the relative decrease in ash content ΔЗ on the position
of the damper at the exit from the machine δ_з

 

 

 

Рис. 5. График зависимостей производительности Q и удельных энергозатрат N_уд
от положения заслонки на выходе из машины δ_з

Fig. 5. Graph of dependences of productivity Q and specific energy consumption N_уд
on the position of the damper at the exit from the machine δ_з

 

 

Уравнения регрессии для рисунка 3

δ_з / ΔБ:

y = 4,3586 – 0,0791 ∙ x + 0,0004 ∙ x²; 
R² = 0,8556; p = 0,0082;

δ_з / С_о.ш.: 

y = 3,3429 + 0,0351 ∙ x – 0,0007 ∙ x²; 
R² = 0,9318; p = 0,0018.

Уравнение регрессии для рисунка 4

δ_з / ΔЗ:

y = 1,2414 – 0,0217 ∙ x + 9,6429 × E – 5 ∙ x²;
R² = 0,9374; p = 0,0015.

Уравнения регрессии для рисунка 5

δ_з / Q: 

y = –0,1214 + 0,0123 ∙ x;
r = 0,9984; R² = 0,9968;

δ_з / N_уд:

y = 24,1143 – 0,4078 ∙ x + 0,002 ∙ x²;

R² = 0,9240; p = 0,0022.

Анализ полученных зависимостей (рис. 3, 4) показывает, что с увеличением процента открытия заслонки на выходе из машины δ_з с 50 до 100 % происходит снижение показателей С_о.ш. с 3,3 до 0,6 %, ΔЗ с 0,38 до 0,04 % и ΔБ с 1,50 до 0,55 %. Это объясняется тем, что при небольших зазорах выпускного отверстия на выходе из машины создается подпор зерна и увеличивается межзерновое давление, а процесс шелушения идет более интенсивно. При 90 % открытии заслонки сопротивление выпуску значительно уменьшается и снижается эффективность шелушения. Дальнейшее открытие заслонки позволяет зерну практически свободно выходить из машины, и шелушение осуществляется только за счет давления, создаваемого абразивными дисками при трении зерна о них и перфорированный ситовый барабан.

Максимальное  количество битых зерен ΔБ = 1,5 % наблюдалось при открытии заслонки δ_з = 50 %, что объясняется значительным подпором зерна на выходе из машины и возникающими при этом в зерновой массе напряжениями, близкими к пределу прочности зерновок. При δ_з = 80 % величина ΔБ = 0,8 % и далее снижается. Незначительное разрушение зерен объясняется снижением напряжений в зерновой массе до значений, достаточных для отделения оболочек. Однако они меньше предела прочности зерновок.

Проведенный анализ позволил установить, что технологическая целесообразность процесса шелушения обеспечивается при проценте открытия заслонки на выходе из машины δ_з = 60–70 %, при этом значение С_о.ш. составляет 3,2–2,8 %, ΔЗ = 0,32–0,20 %, а ΔБ не превышает 0,85 %. В то же время при оценке технологического оптимума необходимо также брать во внимание и удельные энергозатраты N_уд на шелушение с учетом производительности машины Q.

Анализ зависимости (рис. 5) показывает, что с увеличением процента открытия заслонки на выходе из машины производительность возрастает с 0,5 до 1,1 т/ч, а удельные затраты электроэнергии снижаются с 8,7 до 3,5 кВт∙ч/т. Оптимальное сочетание этих двух параметров находится в точке пересечения графиков при δ_з = 67 %, что соответствует Q = 0,7 т/ч, N_уд = 5,8 кВт×ч/т и согласуется с вышеприведенными данными. В этом случае комплексный критерий эффективности, с учетом энергоемкости процесса, Е₂ = 4,5 кг/кВт·ч.

Обсуждение и заключение

Предложен обобщенный критерий оценки технологической эффективности шелушения зерна пшеницы, учитывающий энергоемкость процесса. Экспериментально выяснена зависимость локальных критериев эффективности процесса шелушения С_о.ш., ΔБ и ΔЗ от интенсивности процесса обработки зерна в машине.

Установлена и обоснована производительность шелушильной машины Q = 0,6–0,7 т/ч, обеспечивающая оптимальные показатели локальных критериев эффективности обработки зерна с учетом удельных энергозатрат N_уд на шелушение, С_о.ш. = 3,2–2,8 %, ΔЗ = 0,32–0,20 %, а ΔБ не превышает 0,85 %. Комплексный критерий эффективности при этом Е₂ = 4,5 кг/кВт·ч.

Полученные результаты позволят подобрать оптимальную интенсивность шелушения зерна при различных помолах (сортовой, обойный) и определить для каждого из показателей, входящих в комплексный критерий эффективности Е₂, наиболее приемлемые конструктивные и кинематические параметры шелушильной машины.

 

 

¹           ГОСТ 10847-2019. Зерно. Методы определения зольности. М., 2019.

 

About the authors

Alexander V. Anisimov

Saratov State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: anisimovaleksan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5313-6329
ResearcherId: E-7817-2018

Associate Professor of the Chair of Technologies of Production and Processing
of Livestock Products, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 1 Theatre Sq., Saratov 410012

Feliks Ya. Rudik

Saratov State Agrarian University

Email: rudik.sgau@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8444-0115
ResearcherId: E-8546-2018

Professor of the Chair of Technologies of Food Products, Dr.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 1 Theatre Sq., Saratov 410012

References

Supplementary files