Abstract and keywords
Abstract (English):
The construction of pneumatic separator to separate grain, allowing efficient separation of bulk components in-to fractions, is developed. The construction features are the installation of separating channels depending on the required number of fractions, providing stable feed and uniform density of grain stream. The optimal mode of separation exemplified by the hulled rape is determined. The pneumatic separator is recommended to be used during preparation stage of the pressing in the rape oil production lines to improve its quality.

Keywords:
Grain material, pneumatic separator, rape, rape oil.
Text
Publication text (PDF): Read Download

 

Введение

Согласно распоряжению Правительства РФ от 25 октября 2010 г. «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года» одним из приори­тетных направлений является расширение отечест­венного производства основных видов продовольст­венного сырья, отвечающего современным требова­ниям качества и безопасности. Это особенно важно для Сибирского региона с его климатическими усло­виями и экологической обстановкой. В этой связи задача создания и совершенствования технологий для переработки местного растительного сырья с вы­соким содержанием физиологически функциональ­ных ингредиентов и их машинно-аппаратурное оформление является актуальной.

Одним из наиболее перспективных представите­лей местного растительного сырья в Сибирском ре­гионе является рапс – важнейший источник получе­ния пищевого растительного масла и высокобелко­вых кормов. Семена рапса содержат 40–44 % масла, 18–22 % белка, 6–7 % клетчатки. Рапсовое масло имеет ценный жирнокислотный состав, образую­щийся после отжима масла, жмых содержит около    40 % белка, хорошо сбалансированного по аминокислотному составу. Это позволяет рассматривать рапс как источник незаменимых пищевых веществ. Биологические особенности рапса позволяют выращивать его в широком диапазоне почвенно-климатических условий, в том числе в зонах рискованного земледелия, к которым относится Сибирский регион.

В тканях масличных семян рапса запасы масла распределены неравномерно – основная часть масла сосредоточена в ядре семени, в то время как плодо­вая и семенная оболочки содержат относительно не­большое количество масла. Известно, что при пере­работке многих масличных семян их оболочки отде­ляют от ядра. Плодовые и семенные оболочки очень пористы и при контакте с маслом способны интен­сивно впитывать его, а затем прочно удерживать. Это увеличивает потери масла в производстве. Кроме того, механическая прочность семенной оболочки больше, чем ядра, и ее присутствие снижает эффективность работы оборудования, вызывает по­вышенный износ рабочих частей машин. В процессе переработки из оболочек в масло переходят воско­подобные и другие нежелательные вещества, ухуд­шающие вкус и запах, увеличивающие кислотное число и цветность масла, а также снижающие его стойкость при хранении. Максимальное отделение оболочек от семян перед их переработкой является условием, обеспечивающим получение высококаче­ственных масел и высокобелковых жмыхов.

В существующих линиях переработки семян рапса нет стадии отделения оболочки от ядра по причине высокой сложности процесса разделения и отсутствия оборудования для его реализации. Высокая биологическая ценность рапса как пищевого сырья делает актуальным разработку способов разделения рушанки семян перед отжимом масла [1].

Для разделения рушанки зерновых материалов часто используют воздушное сепарирование. Глав­ными преимуществами воздушных сепараторов яв­ляется возможность широко изменять диапазон ре­жимов сепарирования, производить сепарирование частиц, близких по плотности, геометрическим раз­мерам и крупности.

Целью работы являлась разработка конструкции пневмосепаратора для разделения рушанки рапса на фракции масличного ядра и оболочки для использо­вания в линиях производства рапсового масла на стадии подготовки к отжиму.

 

Объекты и методы исследований

Для исследований использовали рапс сорта «Юбилейный», выращенный в Кемеровской области. Химический состав, физико-химические показатели семян определялись стандартными методами [2] (табл. 1).

Как видно из табл. 1, показатели качества семян рапса соответствуют регламентированным требова­ниям согласно ГОСТ 10583. Наибольшая доля в со­ставе исследованных семян приходится на масло (от 41,8–49,6 %), затем следуют белок (от 25,7–27,4 %) и клетчатка (от 10,8–13,8 %). На долю этих компонен­тов приходится до 80–90 % состава семян, что позво­ляет рассматривать рапс в качестве сырья для получе­ния ценных питательных веществ.

По содержанию сорной и масличной примеси се­мена отвечают требованиям. Основу сорной примеси составляли семена различных видов растений, среди которых наибольшей частотой встречаемости обла­дали: щирица запрокинутая, смолевка-хлопушка, то­рица посевная, горец раскидистый, ежовник обыкно­венный, щетинник зеленый, якутка полевая, марь бе­лая, бодяк, осот желтый и др.

 

Таблица 1

 

Показатели качества семян рапса

 

Показатель

Значение

Массовая доля влаги и ле­тучих веществ, %

5,1–12,0

Массовая доля масла, % на абсолютно сухое веще­ство

41,8–49,6

Массовая доля белка, %

25,7–27,4

Массовая доля клетчатки, %

10,8–13,8

Массовая доля примеси, %:

сорная

масличная

1,2–3,0

1,0–9,0

Массовая доля глюкози­нолатов, % на абсолютно сухое обезжиренное ве­щество

0,46–0,56

Зараженность вредите­лями или наличие следов заражения

Отсутствие

Масса 1000 зерен, г

3,92±0,12

 

Важным вопросом использования продуктов пере­работки крестоцветных масличных культур является их безопасность. К крестоцветным культурам тради­ционно предъявляют требования по ограничению со­держания глюкозинолатов (не более 3 %) и эруковой кислоты (не более 5 %). Из глюкозинолатов под дей­ствием фермента тиоглюкозидазы могут образовы­ваться изотиоционаты, которые способны распадаться с образованием различных соединений, в том числе и обладающих токсичным действием. Как видно из табл. 1, содержание глюкозинолатов в исследованных образцах семян составляло от 0,46 до 0,56 %. Глюко­зинолаты локализованы в гидрофильной части семян и при переработке в основном концентрируются в жмыхах. Общее содержание изотиоционатов в семе­нах рапса не превышало 0,56 %, что говорит о том, что данный сорт относится к низкоглюкозинолатным. Содержание эруковой кислоты в масле не превышало 1,9 %, что соответствует требованиям, предъявляе­мым к пищевым маслам.

На этапе проектирования пневмосепаратора оп­ределялись скорости витания составляющих ру­шанки рапса (ядра, оболочки, недорушенного (рас­колотого) зерна), для чего был сконструирован вер­тикальный сепарирующий канал прямоугольного се­чения. Канал состоит из корпуса, выполненного из ПВХ и оргстекла, который установлен на деревян­ную раму из бруса. Канал разделен по вертикали на восемь уровней, в которых производятся замеры скоростей движения воздуха. Снизу в корпус канала при помощи вентилятора низкого давления подается воздух, скорость его подачи регулируется ЛАТРом. Во избежание перепадов напряжения в сети перед ЛАТРом устанавливается стабилизатор напряжения. Скорость воздуха внутри корпуса воздушного канала измерялась термоанемометром МП-53.

Рушанка семян рапса, разделенная заранее на фракции (недорушенное зерно, оболочка и ядро), по­дается сверху через загрузочное окно в воздушный канал и распределяется по ситу. Затем включается вентилятор и с помощью анемометра замеряется скорость движения воздуха, подаваемого в канал. Воздух подается в канал с постоянно увеличиваю­щейся скоростью до тех пор, пока фракция не начи­нает «витать». На задней стенке канала размещена линейка, с помощью которой измеряется высота подъема каждой фракции.

 

Результаты и их обсуждение

Определение высоты подъема каждой фракции рушанки в зависимости от скоростей подачи воздуха в сепарирующий воздушный канал производилось с целью определения их скоростей витания. Получен­ные результаты определения скоростей витания при­ведены в табл. 2.

 

 

Таблица 2

 

Скорости витания фракций рушанки рапса

в воздушном канале при заданной высоте подъема, м/с, Δ±0,05

 

Наименование фракции

Высота подъема, мм

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Ядро

3,62

5,53

6,56

7,05

7,75

8,40

8,92

9,37

10,00

Оболочка

0,90

1,48

2,06

2,51

3,03

3,33

3,91

4,30

4,45

Недорушенное зерно

9,51

11,45

12,36

13,45

14,21

15,28

15,19

15,92

16,48

 

 

Как следует из табл. 2, наиболее легкой фракцией является оболочка, затем следует ядро и наиболее тяжелая фракция – недорушенное зерно. С учетом результатов определения скоростей витания фракций рушанки рапса принималась необходимая последо­вательность расположения сепарирующих каналов пневмосепаратора для каждой фракции и высота пе­регородок между ними, что необходимо для более полного разделения составляющих рушанки.

В основу разработанной конструкции положен принцип сепарации зернового материала восходя­щим воздушным потоком. Наиболее близким по тех­нической сущности к разработанному устройству яв­ляется канал для сепарации зерна восходящим воз­душным потоком, образованный передней, задней и боковыми стенками, содержащий сетку, установлен­ную с наклоном от передней стенки к задней, и окна для приема исходного и вывода обработанного зер­нового материала, в котором поперек боковых сте­нок над сеткой с зазором установлен по крайней мере один барьер [3]. В ходе реализации конструкции возникли два актуальных вопроса: нестабильная подача зернового материала и невозможность разде­ления более чем на две фракции (тяжелую и легкую), что снижает эффективность сепарирования.

Стабильность подачи зернового материала в зону сепарирования было предложено обеспечить уста­новкой дозатора шнекового типа, позволяющего од­новременно регулировать производительность в ши­роком диапазоне и обеспечивать относительно рав­номерную подачу материала. На эффективность процесса сепарирования также оказывает большое влияние неравномерное распределение зернового материала по сетке. Данную проблему было решено устранить установкой перегородки (барьера) в конце сетки, которая служит для накапливания зернового материала и создания однородной смеси, продувае­мой воздушным потоком.

Полученные результаты определения скоростей витания и высоты подъема зернового материала, ис­следования принципов воздушного сепарирования и предложенная модернизация легли в основу конст­рукции лабораторно-экспериментального пневмосе­паратора, который был изготовлен на кафедре «Ма­шины и аппараты пищевых производств» КемТИПП.

Конструкция пневмосепаратора поясняется рис. 1, на котором представлен вертикальный разрез се­паратора вдоль направления движения обрабатывае­мого зернового материала.

Пневмосепаратор работает следующим образом: зерновой материал поступает в загрузочный бункер, откуда дозатором подается в разделительный канал. Зерновой материал скапливается на поддерживаю­щей сетке. Благодаря перегородке, препятствующей дальнейшему движению зерна по ситу, образуется смесь зернового материала с воздухом. Наиболее тя­желая фракция преодолевает перегородку и ссыпа­ется в сепарирующий канал. Более легкая фракция уносится воздушным потоком и разделяется на фракции в сепарирующем и осадительном каналах в зависимости от скорости витания частиц. Отрабо­танный воздух попадает в циклон, где происходит его очистка от пылевой фракции. Зерновой материал (рушанка рапса) разделяется на ядро, оболочку, не­дорушенное зерно и мелкую фракцию, которые оса­ждаются в соответствующих каналах и ссыпаются в сборники.

 

Рис. 1. Схема лабораторно-экспериментального пнев­мосепаратора для разделения зернового материала: 1 – корпус; 2 – шнековый дозатор; 3 – задняя стенка сепари­рующего канала; 4 – стенка осадительного канала; 5 – барьер, выравнивающий зерновой поток; 6 – перегородка

 

Основным параметром, влияющим на эффектив­ность процесса сепарирования, является скорость движения воздуха в сепарирующем канале. Ее регу­лирование позволяет достичь необходимой высоты подъема фракций рушанки рапса и осуществить про­цесс разделения ее в разные осадительные каналы.

С целью определения оптимальных режимов ра­боты пневмосепаратора были проведены опыты, в ходе которых изменялась скорость движения воздуха в сепарирующем канале. По мере поступления ру­шанки в сепаратор частицы оболочки и ядра уносит поток воздуха, распределяя их по каналам. Недору­шенное зерно и целое ядро поднимаются на неболь­шую высоту, которой достаточно, чтобы преодолеть заслонку между первым и вторым каналами, тогда как более легкая фракция – недорушенное (расколо­тое) ядро – осаждается во второй осадительный канал. Мелкая фракция рушанки (мелкое колотое ядро и частицы оболочки) осаждается в последнем канале. После проведения каждого эксперимента из сборни­ков извлекались фракции рушанки и вручную разби­рались на составляющие. Каждая фракция выража­лась в процентах от общей массы навески (табл. 3), где V1 – скорость движения воздуха на выходе из вентилятора, V2 – скорость движения воздуха в сепа­рирующем канале.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

Влияние скорости движения воздуха (м/с) на выходе из вентилятора

и в сепарирующем канале на разделение рушанки рапса, n = 7, Δ±1

 

V1, м/с

V2, м/с

Содержание фракции в навеске, %

Ядро

Оболочка

Недорушенное

зерно

Мелкая фракция

6,50

5,8

69

26

1

4

7,00

6,4

76

20

1

3

7,50

6,8

84

12

1

3

8,00

7,3

92

5

2

1

8,50

7,6

85

11

2

2

 

 

В процессе исследований было подтверждено, что наиболее эффективно процесс разделения рушанки на фракции ядра и оболочки происходил при движении воздуха в сепарирующем канале со скоростью    7–7,3 м/с. При данном режиме достигалось процентное содержание фракции ядра в полученных пробах до 92 %. Фотографии рушанки семян рапса перед сепарированием и фракции ядра после разделения на пневмосепараторе представлены на рис. 2 и 3.

 

 

Рис. 2. Рушанка семян рапса перед пневмосепарирова­нием, содержание ядра 69 %, оболочки 29 %

 

 

Рис. 3. Фракция ядра семян рапса после обработки в пневмосепараторе, содержание ядра 92 %, оболочки 5 %

 

Проведенные исследования жирнокислотного со­става масел из целых семян рапса и очищенных от оболочек ядер показали, что качественный состав жирных кислот в маслах одинаков, однако количест­венный состав несколько отличается. В масле, полу­ченном из очищенных ядер, почти на 25 % снижалась доля эруковой кислоты и увеличивалась на 5 % доля незаменимой (эссенциальной) α-линоленовой ЖК семейства ω-3, что повышает пищевую ценность и уровень безопасности масла. Было отмечено, что масло из очищенных масличных ядер имеет меньшие значения цветного, кислотного и перекисного чисел, что также свидетельствует о повышении его качества [4].

Выполненное исследование позволяет сделать вывод о целесообразности создания технологии ком­плексной переработки семян рапса, основанной на обрушивании семян и раздельной переработке их структурных частей. Из масличных ядер можно по­лучать масла и белки, из оболочек – пищевые во­локна. Такая технология позволит повысить качество продуктов переработки семян масличных культур – масел и жмыхов.

Разработанный пневмосепаратор показал высо­кую эффективность разделения рушанки рапса на фракции ядра и оболочки, что позволяет рекомендо­вать данный сепаратор для использования в линиях производства рапсового масла для повышения его качества.

В ходе экспериментов было подтверждено, что установка шнекового дозатора, способного стабильно подавать рушанку рапса, привела к стабилизации зернового потока в сепарирующем канале и повышению эффективности процесса разделения. Установка перегородки в конце поддерживающей сетки позволила накапливать зерновой материал и добиваться его равномерного распределения, что в свою очередь обеспечило стабильность результатов разделения рушанки рапса. Достаточное количество сепарирующих каналов с необходимой высотой подъема зернового материала при оптимальной скорости воздуха обеспечивает необходимую эффективность разделения зернового материала на фракции. Все вышеописанное позволило обеспечить требуемую стабильность плотности обрабатываемого зернового потока, что является главным условием равномерного поля скоростей движения воздуха в сепарирующем канале, а следовательно и высокой эффективности процесса разделения зернового материала.

Таким образом, эффективность работы предло­женной конструкции пневмосепаратора, устойчи­вость показателей качества процесса сепарации и стабильность технологического процесса разделения зернового материала обеспечиваются рациональ­ными соотношениями, связывающими основные па­раметры каналов и их количество с конструктив­ными особенностями.

Разработанный пневмосепаратор относится к технике разделения зерна и других сыпучих мате­риалов воздушным потоком и может найти примене­ние при очистке зерна и семян в сельском хозяйстве и продуктов их переработки в масложировой, муко­мольно-крупяной, комбикормовой промышленности и других отраслях.

 

References

1. Gorpinchenko, T.V. Aktual'nye voprosy proizvodstvennogo i kormovogo ispol'zovaniya rapsa (obzor) / T.V. Gorpinchenko // Hranenie i pererabotka sel'skohozyaystvennogo syr'ya. - 2003. - № 7. - S. 54-63.

2. Scherbakov, V.G. Laboratornyy praktikum po biohimii i tovarovedeniyu maslichnogo syr'ya / V.G. Scherbakov, S.B. Ivanickiy, V.G. Lobanov. - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: KolosS, 1999. - 128 s.

3. Pat. 2193929 Rossiyskaya Federaciya, MPK7 S1 B07B4/08. Kanal dlya separacii zerna voshodyaschim vozdushnym potokom / Zyulin A.N., Babchenko V.D.; zayavitel' i patentoobladatel' Zyulin A.N., Babchenko V.D. - № 2002102270/03; zayavl. 30.01.2002; opubl. 10.12.2002.

4. Renzyaeva, T.V. Razrabotka sposoba povysheniya kachestva produktov pererabotki rapsa i ryzhika / T.V. Renzyaeva, O.P. Renzyaev, A.O. Renzyaev // Maslozhirovaya promyshlennost'. - 2009. - № 3. - S. 32-34.


Login or Create
* Forgot password?