Technologia ekstruzji. Adam Ekielski SGGW - Wydział Inżynierii Produkcji

Transkrypt

1 Technologia ekstruzji Adam Ekielski SGGW - Wydział Inżynierii Produkcji

2 Wprowadzenie Extrude wytłaczanie, przepychanie materiału przez otwartą z obu stron matrycę (otwór) W przetwórstwie żywności ekstrudery zaczęto wykorzystywać od 1935 roku, kiedy to po raz pierwszy zastosowano je do produkcji makaronu (Harper,1988). W 1940 roku rozpoczęto produkcję gotowych do spożycia produktów zbożowych (RTE-ready to eat)

3 W polskim nazewnictwie technicznym używane jest pojęcie wytłaczarka. Przyjęto używać je jednak do określania maszyn pracujących w niskich temperaturach. W których nie zachodzi miesznie i gotowanie obrabianego produktu. Maszyny pracujące w wyższych temperaturach łaczące kilka operacji jednostkowych nazywane są ekstruderami (ang. Cooking extruders). Niezależnie od temperatury, wytłaczarki do produktów dwurodnych przyjęto nazywać co-ekstruderami.

4 Podział ekstruderów: ekstrudery jednoślimakowe ekstrudery dwuślimakowe ekstruder jednoślimakowy A kliny wzdłużne matryca A pierścień sprężający A A

5 W ekstruderach dwuślimakowych, podobnie w jak jednoślimakowych można wyróżnić trzy strefy: transportową, procesową i końcową. Podstawowa różnica w porównaniu z ekstruderami jednoślimakowymi związana jest z pojawieniem się pary ślimaków umieszczonych we wspólnej obudowie. Biorąc pod uwagę różnice konstrukcyjne, ekstrudery możemy podzielić na: współbieżne (o jednakowym kierunku obrotów ślimaka), przeciwbieżne, całkowitym zazębieniu ślimaka i nie zazębione, o walcowym kształcie ślimaka i stożkowym kształcie ślimaka Ekstrudery dwuślimakowe Współbieżne ślimaki Przeciwbieżne ślimaki Zazębione Nie zazębione

6 Plastyfikator Materiał Śruba o zmiennym skoku

7

8 Zależność pomiędzy zmniejszająca się powierzchnią przekroju przepływu w następnej sekcji do sekcji zasilającej nosi nazwę stopnia sprężania K, wynosząceg od 1:1 do 5:1

9 matryca

10 Wraz ze zmniejszeniem się ciśnienia za matrycą ekstrudera, następuje gwałtowne puchnięcie materiału, będące wynikiem rozprężania pary wodnej. 150 o C p porowata struktura Jakość uzyskiwanego produktu określana jest przez współczynnik ekspansji prężność pary przy 150 o C ~ 100 kpa

11

12 Podstawową zaletą ekstruderów jest połączenie kilku operacji jednostkowych mieszania miesienia gotowania formowania Wszystkie te operacje mogą być przeprowadzone w jednej maszynie

13 Zastosowanie ekstruderów w przemyśle spożywczym znacząco wzrosło po II wojnie światowej szczególnie w tych procesach w których wymagane jest gotowanie i żelyfikacja skrobi Obecnie znajdują zastosowanie przy produkcji: Makaronów, klusek Przekąsek (snaki, chipsy), produkty zbożowe Dodatki białkowe Płatki śniadaniowe Produkty mięso zastępcze (np.sojowe) Ekstruzja jest w większości nierozłączną częścią całego procesu produkcji i nie może być oddzielona

14

15 Po raz pierwszy Rossen i Miller (1973) i Harper (1978) przedstawili podział ekstruderów ze względu na charakterystyki eksploatacyjnych typowych ekstruderów jednoślimakowych (tabela.1). Jednak we wszystkich odmianach ekstruderów pozostaje taka sama zasada pracy wyciskanie

16 Parametr Wilgotność surowca [%] Wilgotność produktu [%] Maksymalna temperatura produktu [ o C] Extrudery makaronowe Wysokiego ciśnienia Extrudery formujące Niskiego ścinania Extrudery gotujące Extrudery typu Collet D/H 3-4 4, Wysokiego ścinania Extrudery gotujące P N [rmp] Prędkość ścinania [s -1 ] Udział energii mechanicznej W/m, kwh/kg 0,05 0,05 0,02-0,05 0,13 0,14 0,03 0,04 0,02-0,03 0,10 0,10 Dopływ ciepła przez kołnierz obudowy q, kwh/kg (0,01) (0,01) 0,04 0,0 0-(0,03) 0,02 0,03 0,6-0,07 0,10 0,10 Typ produktu Makaron RTE, płatki zbożowe, przekąski Wilgotne i miękkie produkty Chrupki (curls) kukurydziane Sucha karma dla zwierząt,

17 1. Ekstrudery do produkcji makaronów Stosowane do produkcji makaronów i zbliżonych produktów z dostarczanego ciasta. Z powodu gładkiej powierzchni wewnętrznej tulei, braku stałych (twardych ) cząsteczek w cieście i stosowania stałej geometrii śruby,w budowie zbliżone są do idealnego ekstrudera. Praca zbliżona do zasady pracy izotermicznego ekstrudera, charakteryzująca się niskim przyrostem temperatury (ΔT).

18 1. Ekstrudery pierścieniowe (Collet) Schładzające, spęczniające i formujące suche podawane cząsteczki takie jak rozdrobnione ziarno (np. kukurydzy) do produkcji spęcznionych przekąsek takich jak chrupki (curls) kukurydziane. Bardzo wysokie ścinanie (szybkość ścinania) Krótki czas przebywania (residence time) Bardzo wysoka szybkość transformacji energii prowadząca do powstania wysokiej temperatury, która powoduje gwałtowne odparowanie wody, tworząc napęczniały suchy produkt. Ekstruder wyjątkowo trudny do modelowania z powodu: o Wysokiego przyrostu temperatury o Szerokich zmian właściwości reologicznych produktu o Ograniczonego sterowania procesem A kliny wzdłużne matryca A pierścień sprężający A A

19 1. Wysokociśnieniowy ekstruder formujący, Służy do sprężania i nadawania kształtu produktowi finalnemu utworzonemu z żelatynizowanego ciasta, które w zwykłych warunkach potrzebuje dalszej obróbki, np. smażenia w głębokim tłuszczu (przekąski) i spęczniania (gun puffing), zbożowe. Podobny do ekstrudera makaronowego ale z bruzdami na wewnętrznej powierzchni tulei.

20 1. Ekstrudery gotujące o wysokim ścinaniu (określane czasami jako HTST, High Shear Short Time Ekstruder) Stosowane do wytwarzania szerokiego zakresu produktów takich jak spęcznione produkty zbożowe i przekąski, uszlachetniane białko roślinne i sucha karma dla zwierząt towarzyszących. Podobne do ekstruderów pierścieniowych w odróżnieniu od nich posiadające: Dłuższy czas przebywania (residence time) Nadmiar ciepła usuwany jest przez chłodzenie.

21 Wpływ ekstruzji na skrobia Gotowanie produktów zbożowych można wyobrazić sobie jako proces w którym występują podstawowe zmienne warunki przebiegu procesu: czas, temperatura i wilgotność. Z chemicznego punktu widzenia, gotowanie wymusza przemianę częściowo krystalicznej natury cząsteczek skrobi obecnych w ziarnie zbóż lub mące na całkowicie amorficzną postać. Cząsteczki skrobi zbóż zbudowane są głównie z liniowych (amyloza) i rozgałęzionych (amylopektyny) polimerów glukozy. Surowe ziarno pszenicy lub ryżu zawiera około 25% amylozy i 75% amylopektyn.

22 Proces wykorzystywany do produkcji pre-żelatynizowanej skrobi, płatków, lub rozdrobnionych zbóż przeprowadzany w dużej ilości wody (>60%), jest procesem dwu etapowym, składającym się z etapu żelatynizacji i skleikowania. Początkowym materiałem sa całe ziarna zbóż (np. kukurydzy, pszenicy, ryżu) o temperaturze pokojowej i wilgotności około 10-14%. ten rodzaj procesu gotowania został opisany przez Slade i Levina (1991). Wg nich pierwszym stopniem jest żelatynizacja, która wymaga temperatury przynajmniej 60 C i jednakowej wilgotności wynoszącej przynajmniej 27% na poziomie cząsteczkowym.

23 Drugim stopniem, jest stopień zwykle określany jako skleikowanie, charakteryzującym się przede wszystkim wysokim wchłanianiem wody, pęcznieniem mięknięciem i zgubieniem struktury skrobi. Temperatura przynajmniej 85 C i wilgotność nie mniejsza niż 45% na poziomie cząsteczkowym, są to minimalne warunki w których zachodzi skleikowanie. Tak więc gotowanie jest złożonym procesem przepływu ciepła i masy.

24 Porównanie parametrów wybranych procesów obróbki produktów zawierających skrobię gotowanie w wodzie

25 gotowanie na parze

26 Struktura otrzymywanego produktu

27 Podstawowe parametry jakościowe Gęstośd usypowa Stopieo ekspansji [Harper 1992] - parametr opisującym stopieo degradacji skrobi (parametr pośredni opisu struktury). Parametry opisujące budowę wewnętrzną ekstrudatu : Gęstośd rozmieszczenia por Średnia powierzchnia por Średnie wydłużenie por Odchylenie osi podłużnej por od osi wzdłużnej ekstrudatu.

28 Parametry fizyczne Współczynnik wodochłonności (WAI) Współczynnik rozpuszczalności (WSI) Chrupkość Twardość

29 Przykładowe linie technologiczne Ekstruzja jest przeważnie nierozłącznym elementem całego procesu technologicznego na, który w zależności od rodzaju i przeznaczenia produktu składają się kolejne etapy: przygotowanie surowca, wytłaczanie, ekspandowanie, teksturyzacja, chłodzenie, suszenie, wzbogacanie w substancje aromatyczne, tłuszcze itp. Dlatego w procesie tym niezbędne okazuje się użycie dodatkowego specjalnego wyposażenia: mieszarek i kondycjonerów, chłodnic, suszarek, urządzeń do wysycania ekstrudatu itp. Dla uzyskania produktu o wymaganych cechach stosuje się często następczo dwa ekstrudery o innych parametrach pracy i możliwościach transformacji produktów. Przykładowo połączenie ekstrudera formującego z gotującym pozwala na uzyskanie różnorodnych produktów np. wysokobiałkowych mieszanek zbożowych, teksturyzowanych analogów mięsnych.

30 Linia do produkcji np. chrupek kukurydzianych

31 Przykład linii produkcyjnej do produkcji prażynek z zastosowanie dwóch ekstruderów: 1 mieszałka, 2 ekstruder gotujący, 3 ekstruder formujący, 4 wstrząsarka (shaker pre-dryer), 5 suszarnia

32 Przykład linii produkcyjnej do produkcji płatków śniadaniowych: 1 mieszarka, 2 ekstruder gotujący, 3 wstępna suszarka, 4 urządzenie formujące (płatkujące), 5 wstępna suszarka, 6 - opiekacz, 7 chłodziarka, 8 (sugar coating)

33 Linia do produkcji przekąsek zbożowych (snaki)

34 Linia do produkcji przekąsek śniadaniowych

35 Dziękuję za uwagę

36