Design improvement of extruder

Abstract

The article provides a brief overview of the technological process of extrusion technology, its advantages and disadvantages. It describes a number of technical solutions to remove these disadvantages. The proposed solutions are protected by patents.

Full Text

Отходы с.-х. производства, включая отходы полеводства и переработки зерна, служат ценным вторичным сырьем. Одно из основных направлений их использования - производство кормов для животных. Поиск новых эффективных способов переработки вторичного сырья, старых, залежалых кормов в питательный корм для животных представляет собой весьма актуальную задачу. Современные экономические условия и ужесточающееся законодательство в сфере экологии настоятельно требуют внедрения малоотходных и безотходных энергосберегающих технологий. Проблема выведения производств на уровень экологически чистых - одна из острейших на сегодняшний день [1]. Необходимость разработки экологически безопасных технологий и оборудования для обезвреживания и переработки отходов становится все более очевидной. Основными принципами обращения с отходами должны стать использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий и комплексная переработка материально-сырьевых ресурсов в целях уменьшения количества отходов. Для получения высококачественного кормового продукта, в котором максимально сохраняется биологическая ценность исходного сырья, необходимо свести к минимуму время термической обработки. При этом желательно использовать экономичные и экологически чистые технологии. К новейшим приемам переработки биологических отходов, соответствующим этим требованиям, относятся экструзионные технологии [1]. В наиболее экономически развитых государствах (США, Японии, странах Западной Европы) они стали приоритетным направлением развития пищевой и кормовой промышленности. В кормовой промышленности экструдирование используется для переработки зернопродуктов злаковых и бобовых культур. Из-за большого содержания крахмала усвояемость зерна и продуктов его переработки животными и птицей не превышает 60%. Особенно плохо крахмал усваивается молодняком. Экструзионная переработка существенно модифицирует зерно. Основные и наиболее важные изменения происходят при «взрыве» - резком падении давления и температуры при выходе продукта из экструдера: рвутся клеточные стенки, химические связи, меняется структура. Высокомолекулярный полисахарид крахмал, основная составляющая зернового сырья, гидролизуется и превращается в простые моносахариды и декстрины. Содержание растворимых веществ повышается в 5-8 раз. Вместе с тем сохраняется питательная ценность протеина и полностью или значительно разрушаются антипитательные соединения, такие как уреаза, ингибиторы протеаз, трипсина. В результате быстрого вскипания при выходе из экструдера воды, присутствующей в обрабатываемой массе, продукт становится пористым, увеличиваясь в объеме. Таким образом он становится более доступным для действия пищеварительных соков и ферментов, улучшаются его переваримость и вкусовые качества, т.е. возрастает кормовая ценность. Усвояемость зерновых кормов возрастает до 90% [2]. По сравнению с традиционными технологиями (дроблением, прессованием, гранулированием и др.) при обработке в экструдере кормовой материал претерпевает следующие положительные изменения: - стерилизуется и обеззараживается (болезнетворные микроорганизмы, грибки, плесень полностью уничтожаются); - увеличивается в объеме вследствие разрыва молекулярных цепочек крахмала и стенок клеток при выходе из экструдера; - гомогенизируется (процессы измельчения и перемешивания сырья продолжаются в стволе экструдера, продукт становится полностью однородным); - стабилизируется (нейтрализуется действие ферментов, вызывающих прогоркание продукта, таких как липаза и липоксигеназа, инактивируются антипитательные соединения, токсины); - обезвоживается (влажность снижается на 50-70% от исходной). В результате переваримость протеина достигает 90%. Аминокислоты становятся более доступными вследствие разрушения в молекулах белка вторичных связей. Содержание доступного лизина достигает 88%, в то же время полностью или значительно разрушаются антипитательные соединения. Крахмал желатинизируется, что увеличивает степень его усвояемости. Жиры равномерно распределяются по всей массе продукта, образуя комплексные соединения с крахмалом в соотношении 1:10, что повышает их доступность. Стабильность жиров повышается, поскольку разрушаются ферменты, вызывающие их окисление и прогоркание, такие как липаза и липоксидаза, а природные стабилизаторы лецитин и токоферолы сохраняют полную активность. Переваримость пищевых волокон возрастает вследствие химической модификации. Жесткость экструзионной переработки, уничтожающей патогенную микрофлору, позволяет получать качественный корм, даже если наполнитель представлен некондиционными зернопродуктами. Стерильность получаемого корма особенно важна при откорме молодняка, так как до 90% случаев гибели молодняка происходит из-за болезней желудочно-кишечного тракта или инфекций, занесенных через пищеварительную систему [2]. Использование экструзионных технологий позволяет: интенсифицировать производственный процесс; снизить затраты труда и энергии (кроме электроэнергии, для обеспечения технологического процесса не нужны другие энергоносители - газ, пар, горячая вода); повысить степень использования сырья; улучшить усвояемость продуктов; снизить их микробиологическую обсемененность; уменьшить загрязнение окружающей среды (отсутствуют выбросы в атмосферу, стоки и вторичные отходы). Однако наряду с указанными преимуществами экструзионная переработка отходов и зерновых кормов имеет и недостатки, к которым относятся: высокая энергоемкость процесса экструдирования; недостаточная производительность экструдера; повышенный износ деталей рабочего органа; установка дополнительных устройств для отвода экструдата; ограничения при кормлении животных, например крупного рогатого скота. В Костанайском госуниверситете (Республика Казахстан) группой исследователей осуществлен ряд разработок, направленных на устранение перечисленных недостатков экструзионной переработки зернового материала и отходов полеводства. На рис. 1 представлено устройство для экструдирования грубых кормов. Кромка шнека, прилегающая к корпусу (рис. 2, вид А), выполнена под углом α £ 9,65° к направлению подачи грубого корма. Конструкция обеспечивает угол защемления экструдируемого материала, увеличивая производительность экструдера. Устройство работает следующим образом. Материал поступает в загрузочную камеру, захватывается шнеком и под давлением, которое увеличивается за счет трения о стенку корпуса, продавливается через фильеру. В процессе экструдирования происходит разрушение структуры материала, создаются компоненты, обладающие высокой загущающей, водо- и жироудерживающей способностью, исключается микробиологическая обсемененность, болезнетворные бактерии и грибки гибнут или подавляются до приемлемых условий. По результатам проведенных исследований получены предпатенты РК №15942 и 18519. На рис. 3 представлен экструдер для переработки кормосмеси [предпатент РК №19144, инновационный патент РК №26996, патент на полезную модель РБ №8631]. Техническое решение заключается в повышении производительности, снижении энергозатрат процесса экструдирования путем совершенствования конструкции экструдера. В известном устройстве, включающем загрузочную камеру, шнек, корпус и фильеру, внутренняя поверхность фильеры выполнена в виде ступенчатых последовательных усеченных конусовидных поверхностей, образующие которых расположены соответственно под углами 60, 45 и 8-12° к оси по направлению прессуемого материала, при этом выходное отверстие имеет скос под углом 45° (см. рис. 3, вид В). На рис. 4 представлен экструдер для переработки комбикормов [инновационные патенты РК № 19896 и 23311, патент на полезную модель РБ №8564, заключение о выдаче инновационного патента РК на изобретение №27084]. Задача изобретения - повышение производительности и снижение энергозатрат процесса экструдирования путем совершенствования конструкции экструдера. Для этого в известном устройстве корпус в зоне размещения фильер (пластификации материала) изготовлен под углом δ = 12,5° к продольной оси в направлении фильер (вид А). Кроме того, шнек в зоне пластификации изготовлен с увеличивающимся числом витков, а зона уплотнения и пластификации разделена компрессионным затвором (вид Б). Использование предлагаемого экструдера позволяет снизить энергозатраты и повысить производительность, что подтверждено экспериментальным путем. Таким образом, проведенные исследования и разработанные конструкции экструзионных установок подтвердили возможность повышения их производительности и снижения энергозатрат за счет следующих конструкционных изменений: - изменения конструкции шнека (поверхности шнека) путем создания угла защемления экструдируемого материала; - изменения конструкции фильеры путем создания дополнительных зон выдавливания экструдата; - изменения конструкции корпуса экструдера и конструкции шнека в зоне пластификации экструдата; - установки дополнительных устройств, обеспечивающих подвод воды или добавок к кормосмеси.