ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2012 z. 570: 117 125 WPŁYW ROZDRABNIACZA NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ŚRUTY PSZENNEJ Józef Warechowski*, Małgorzata Warechowska**, Krzysztof Koźniewski *Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej, **Katedra Podstaw Bezpieczeństwa Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie Wstęp Ziarno pszenicy wykorzystywane na cele paszowe lub żywieniowe przeważnie poddawane jest procesowi rozdrabniania. Z tego powodu jest to podstawowy proces w przetwórstwie zbóż. Szczególnie złożony jest proces przemiału, w którym na początkowym etapie następuje oddzielenie od siebie bielma i okrywy owocowo- -nasiennej. W kolejnych etapach tego procesu następuje zmniejszenie cząstek uzyskanych frakcji do rozmiarów nie większych niż 200 μm [POSNER 2003] i wymieszanie ich w odpowiednich proporcjach [JURGA 2009]. Produkty przemiału poddawane są dalszym zabiegom, jak: sortowanie, magazynowanie, transport, mieszanie i inne [IZYDORCZYK i DEXTER 2004]. Z tego powodu istnieje potrzeba poznania właściwości fizycznych produktów przemiału, niezbędnych na etapie projektowania urządzeń i aparatów oraz doboru parametrów pracy maszyn. Właściwości produktów przemiału, a w szczególności mąki zależą zarówno od właściwości fizycznych ziarna, jak i zastosowanej metody rozdrabniania. Właściwości fizyczne ziarna zależą od czynników genetycznych [EDWARDS i in. 2010] i warunków środowiskowych [CASTAGNA i in. 1996; WEIGHTMAN i in. 2008; WIL- SON i in. 2008]. W przetwórstwie zbóż szczególnie istotna jest technologia przemiału, decydująca o wydajności i jakości produktów przemiału, m.in. o zawartości popiołu i barwie mąki [JURGA 2009]. W dużej mierze związana jest ona z cechami morfologicznymi ziarna, o ile przemiał odbywa się w podobnych warunkach [ZHANG i in. 2005]. Na wyposażeniu laboratoriów znajduje się sprzęt pomiarowy różnych producentów. W szczególności są to młyny o podobnej konstrukcji i sposobie rozdrabniania próbki. Mimo to w każdej metodyce oznaczania właściwości technologicznych surowców zbożowych wprost podany jest model młyna, którym należy rozdrobnić ziarno [PN-A-74013:1993; PN-A-74042/03:1993; PN-ISO 3093:1996/AZ1:2000]. Może być to uzasadnione merytorycznie lub wynikać z niedoskonałości danej metodyki. Konieczność stosowania młyna konkretnego producenta można ocenić poprzez wykonanie przemiału danego surowca na różnych urządzeniach i wyznacze-
118 J. Warechowski, M. Warechowska, K. Koźniewski nie właściwości fizycznych otrzymanych produktów przemiału, a następnie przeprowadzenie analizy statystycznej wyników. Szczególnie ważna jest analiza różnic między właściwościami fizycznymi śruty uzyskanej z porównywanych młynów, ze zwróceniem uwagi na cechy fizyczne mogące mieć bezpośredni związek z oznaczaną właściwością. Może to być na przykład powierzchnia właściwa powiązana z kinetyką procesów dyfuzyjnych, takich jak: rozpuszczanie, suszenie i ekstrakcja materiałów granularnych. Pomiar powierzchni właściwej możliwy jest na przykład metodami sorpcji fizycznej cząstek gazów na powierzchni materiału próbki. Możliwe jest również jej oszacowanie na podstawie analizy składu granulometrycznego próbki materiału. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu użytego rozdrabniacza na właściwości fizyczne śruty pszennej. W szczególności sprawdzenie, czy młyny o podobnej konstrukcji i parametrach mechanicznych oraz zbliżonych parametrach pracy wytwarzają śrutę o porównywalnych właściwościach fizycznych. Materiał i metody badań Materiał do badań stanowiło ziarno pszenicy jarej odmiany Radunia. Ziarno pochodziło z doświadczenia polowego przeprowadzonego w Zakładzie Dydaktyczno-Doświadczalnym w Tomaszkowie w 2009 roku. Przed pomiarami oznaczano jego wilgotność [PN-EN ISO 712:2009], która wynosiła około 12% i dowilżano do wilgotności 15% przez dodatek wody w ilości obliczonej na podstawie bilansu masowego. Ziarno leżakowało przez 48 godzin w temperaturze 15 C. Przemiał laboratoryjny ziarna przeprowadzono na dwóch młynach czterowalcowych. Użyte w badaniach młyny pochodzące od różnych producentów, Quadrumat Junior firmy Brabender (QJ) i młyn walcowy z firmy Sadkiewicz (SK), charakteryzują się taką samą liczbą walców, ich średnicami i długościami. Liczba zębów (różna w walcach danej pary) i ich kąt pochylenia w walcach poszczególnych stopni rozdrabniających są porównywalne w obu młynach. Różnią się szerokościami szczelin między walcami i wyprzedzeniem początkowych stopni. W celu umożliwienia porównania produktów przemiału jeden z młynów (QJ) na czas badań pozbawiono zainstalowanego fabrycznie sita odsiewacza cylindrycznego. Kąt naturalnego usypu z pryzmy stożkowej mierzono zgodnie z normą PN- -74/Z-04002/07. Rozkład wielkości cząstek przemielonego ziarna (śruty pszennej) oznaczono ilościowo metodą dyfrakcji laserowej (Laser Diffraction Analysis LDA) w analizatorze Malvern Mastersizer 2000. Pomiar wykonywano zgodnie z metodyką GEA Niro analytical method A 8 c Particle Size Distribution by Laser (Malvern), w sześciu powtórzeniach. Przeprowadzono analizę składu granulometrycznego mlewa, a następnie obliczono średni wymiar cząstki według wzoru [VELU i in. 2006]: d n = ϕ d (1) gdzie: ϕ i udział frakcji wymiarowej i w badanej próbie (kg kg 1 ), d i średni rozmiar cząstek frakcji i (μm). i= 1 i i
WPŁYW ROZDRABNIACZA NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ŚRUTY PSZENNEJ 119 Zróżnicowanie śruty pod względem wielkości cząstek wyrażano w postaci względnej szerokości rozkładu (SPAN). Najpierw wyznaczano rozmiary cząstek odpowiadające przesiewowi 10%, 50% i 90% odpowiednio: d(0,1), d(0,5) i d(0,9). Rozmiary te wyznaczono z funkcji kumulacyjnej składu ziarnowego produktu przemiału. Względną szerokość rozkładu (SPAN) wyznaczono jako: ( 0, 9) d( 0,1) d ( 0,5) d SPAN = (2) gdzie: d(0,1), d(0,5) i d(0,9) rozmiary cząstek odpowiadające przesiewowi odpowiednio 10%, 50% i 90% (μm). W praktyce przemysłowej w automatycznych systemach kontroli jakości produkcji i sterowania procesami rozmiary d(0,1) i d(0,9) wykorzystuje się do identyfikowania najmniejszych i największych cząstek układów granularnych. Gęstość nasypową (ρ L ) wyznaczano metodą z wykorzystaniem cylindra miarowego [Analytical Method A 2 a Powder bulk density; WESTERGAARD 2004]. Do każdego z pomiarów wykorzystywano reprezentatywną próbkę badanej śruty o objętości około 100 cm 3, którą przenoszono do cylindra miarowego o pojemności 250 cm 3. Objętość odczytywano ze skali cylindra, a masę ważono wagą WLC 2 (d = 0,01 g). Gęstość wyrażano jako iloraz masy próbki i jej objętości. Współczynniki Hausnera (HR) i Carra (CI) produktów przemiału wyznaczono z następujących wzorów [SVAROVSKY 1987]: ρz HR = (3) ρ gdzie: ρ L gęstość nasypowa luźna (kg m 3 ), ρ Z gęstość nasypowa zwarta (kg m 3 ). Z L ρz ρl CI = 100% (4) ρ Gęstość nasypową zwartą (ρ Z ) wyznaczano analogicznie jak gęstość nasypową luźną, z tą różnicą, że cylinder miarowy z próbką poddawano wstrząsom na wytrząsarce Analysette 22 (Fritsch) przez 5 min, po czym odczytywano objętość zajmowaną przez znajdującą się w nim śrutę. Przeprowadzono analizę statystyczną otrzymanych wyników. Analizę wariancji wykonano za pomocą programu STATISTICA for Windows v. 10 (StatSoft Inc.). Istotność różnic między średnimi określono, stosując test Tukeya. Hipotezy statystyczne testowano na poziomie istotności α = 0,05. Wyniki i dyskusja Produkty przemiału otrzymane z różnych młynów różniły się istotnie między sobą pod względem właściwości fizycznych (tab. 1). Jedynie wartości HR oraz CI nie wykazywały istotnych różnic.
120 J. Warechowski, M. Warechowska, K. Koźniewski Właściwość Property Młyn Mill Charakterystyka cech fizycznych śruty pszennej Characteristics of the physical properties of wheat middlings α Kąt tarcia zewnętrznego External angle of friction stal steel AISI 316 stainless steel szkło glass Tabela 1; Table 1 d p SPAN ρ u HR CI μm kg m 3 QJ X śr 42 a 48 a 43 a 51 a 202 a 8,18 a 595 a 1,280 a 21,9 a SD 1,0 0,9 2,0 1,2 11,5 0,410 6,9 0,0058 0,35 SK X śr 40 b 35 b 31 b 46 b 592 b 2,25 b 649 b 1,300 a 23,0 a SD 0,2 0,5 0,4 0,9 18,3 0,041 16,3 0,0343 2,09 Średnie X śr 41 41 37 49 397 5,22 622 1,290 22,4 Average SD 1,1 6,8 6,5 3,0 204,2 3,106 30,4 0,0258 1,56 Wartości oznaczone w poszczególnych kolumnach tymi samymi literami nie różnią się istotnie na poziomie α = 0,05; differences of values in columns (for the given variety) marked with the same letters are insignificant at α = 0.05. Śruty z obu młynów charakteryzowały duże wartości kąta naturalnego usypu (42 i 40 ), przypisywane materiałom ziarnistym semikohezyjnym [SVAROVSKY 1987]. Świadczą one o występowaniu silnych oddziaływań między cząstkami materiału [WOUTERS i GELDART 1996]. Kąt tarcia zewnętrznego również przyjmował duże i zróżnicowane wartości od 31 w przypadku tarcia śruty z młyna SK o stal nierdzewną polerowaną do 51 dla pary ciernej szkło-śruta z młyna QJ. W przypadku śruty z obu młynów najmniejsze wartości kąta tarcia uzyskano dla polerowanej stali nierdzewnej, a największe w przypadku poślizgu po powierzchni szklanej. Kąty tarcia o blachę stalową przyjmowały wartości pośrednie. Wszystkie kąty tarcia zewnętrznego śruty z młyna SK przyjmowały wartości istotnie mniejsze niż śruty z młyna QJ. Może to wynikać z niewielkiego udziału drobnych frakcji ziarnowych, co powoduje zmniejszenie powierzchni kontaktu próbki z powierzchnią cierną, wywołując poślizg w warunkach większego naprężenia normalnego [HORABIK 2001]. Średnia wartość gęstości usypowych śruty z badanych młynów wynosiła 622 kg m 3. Wartości gęstości usypowych śruty różniły się między sobą o prawie 10%, w zależności od młyna, w którym je uzyskano. Mniejszą wartość miała gęstość usypowa śruty uzyskanej z młyna QJ. Gęstość usypowa śruty z młyna QJ charakteryzowała się też ponad dwa razy mniejszą zmiennością, wyrażoną odchyleniem standardowym, niż ta z młyna SK. Stwierdzono istotne różnice w składzie granulometrycznym śruty z ziarna rozdrabnianego na różnych młynach (rys. 1). Skład granulometryczny śruty uzyskanej z badanych młynów charakteryzował się bardzo dużą rozpiętością wielkości cząstek od 0,5 2,0 μm do 2500 μm. Większą szerokość, wyrażoną SPAN-em, uzyskiwały produkty przemiału z młyna QJ prawie 4-krotnie większą niż w przypadku śrut z młyna SK. Bardziej złożonym składem frakcyjnym charakteryzowała się śruta z młyna QJ. Składał się on z 5 frakcji o dość równomiernych udziałach. Udział trzech głów-
WPŁYW ROZDRABNIACZA NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ŚRUTY PSZENNEJ 121 Rys. 1. Fig. 1. Skład granulometryczny śruty z ziarna pszenicy Radunia rozdrabnianego w młynach walcowych różnych producentów Particle size distribution of grinding products of wheat Radunia grain grinding in roller mills of different manufacturers nych frakcji (o wielkości cząstek 20, 150 i 700 μm) zawierał się w przedziale 2,2 3,2%, przy czym największy był udział frakcji o wielkości cząstek 20 μm. Frakcja o cząstkach wielkości 4 μm stanowiła tylko około 1% śruty, a frakcja o cząstkach wielkości 0,7 μm występowała w ilościach śladowych. Młyn QJ pozwalał uzyskać cząstki o rozmiarze minimalnym, 4 razy mniejszym niż młyn SK. Skład frakcyjny śruty z młyna SK był różny od uzyskanego na młynie QJ (rys. 1). Z młyna SK uzyskiwano głównie frakcję o wielkości cząstek 800 μm, z niewielkim udziałem frakcji o rozmiarach cząstek 4, 20 i 100 μm, z których największy udział miała frakcja o cząstkach wielkości 20 μm (około 1,5%). Powyższe dane upoważniają do stwierdzenia, że śruta otrzymywana z młyna SK miała rozkład dwumodalny, zawierający frakcję główną o cząstkach wielkości 800 μm i dodatkową o cząstkach wielkości 20 μm. Większe zróżnicowanie wielkości cząstek w śrutach otrzymywanych z młyna QJ wpływa na zwiększenie powierzchni właściwej w porównaniu z produktami przemiału uzyskiwanymi z młyna SK. Może to być powodem różnego zachowania się śruty i uzyskanej z niej mąki podczas operacji technologicznych, w których zachodzą zjawiska o charakterze dyfuzyjnym. Współczynniki Hausnera (HR) i Carra (CI) interpretowane są jako wskaźniki charakteryzujące właściwości reologiczne materiału ziarnistego. Analiza statystyczna wyników nie wykazała możliwości identyfikacji młyna użytego do rozdrabniania na podstawie tych cech. Wartości HR uzyskanej śruty zawierały się w przedziale 1,250 1,400, co pozwala zaklasyfikować je do grupy materiałów semikohezyjnych [SVAROVSKY 1987]. Wskaźnik CI, przyjmujący wartości w zakresie 18 23%, również wskazuje na semikohezyjne właściwości śrut uzyskiwanych z obu badanych młynów [WOULTERS i GELDART 1996]. Analiza korelacji właściwości fizycznych produktów przemiału wykazała dość silną ujemną korelację między stopniem rozdrobnienia a HR oraz CI (tab. 2). Średni rozmiar cząstek nie wykazywał istotnej korelacji z tymi wskaźnikami, czego można by oczekiwać z powodu zależności definicyjnej między średnim rozmia-
Statystycznie istotne wartości współczynników korelacji liniowej pomiędzy badanymi cechami Statistically significant linear correlation coefficients between the measured features Tabela 2; Table 2 Wyszczególnienie Specification α ( ) Stal Steel Kąt tarcia zewnętrznego External angle of friction ( ) d p (μm) AISI 316 Stainless steel Szkło Glass SPAN ( ) i ( ) ρ u (kg m 3 ) α ( ) 0,7618 0,7513 0,6935 0,7757 0,7750 0,7410 0,7494 Stal Steel AISI 316 Stainless steel 0,9767 0,9394 0,9946 0,9847 0,9575 0,9102 0,8850 0,9770 0,9633 0,9323 0,9049 HR ( ) CI ( ) Kąt tarcia zewnętrznego External angle of friction ( ) Szkło Glass 0,9363 0,9477 0,9436 0,9227 d p (μm) 0,9906 0,9365 0,9070 SPAN ( ) 0,9345 0,9212 i ( ) 0,9569 0,6736 0,6602 ρ u (kg m 3 ) 0,6717 0,6582 HR ( ) 0,9997 CI ( )
WPŁYW ROZDRABNIACZA NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ŚRUTY PSZENNEJ 123 rem cząstek produktu przemiału a stopniem rozdrobnienia ziarna (i = d z d p 1 ). Silne skorelowanie między sobą wszystkich kątów tarcia można interpretować zależnością ich od właściwości kohezyjnych analizowanych produktów przemiału, co nie uwidoczniło się jednak w postaci istotnej korelacji kątów tarcia zewnętrznego ze wskaźnikami cech reologicznych. Silna dodatnia korelacja SPAN z kątami tarcia zewnętrznego może wynikać z faktu, że większa różnorodność wymiarowa cząstek powoduje przemieszczanie się cząstek drobnych w szczeliny między cząstkami grubymi i wzajemne klinowanie się tak utworzonych układów geometrycznych. Bardzo silną, ujemną korelację między gęstością usypową a SPAN-em można próbować tłumaczyć zawieszaniem się cząstek śruty na sobie i tworzeniem w ten sposób luźnych struktur przestrzennych. Taka interpretacja jest jednak sprzeczna z wyżej przytoczonym tłumaczeniem korelacji SPAN kąty tarcia zewnętrznego. W celu wyciągnięcia miarodajnych wniosków w tym zakresie niezbędne wydaje się wykonanie badań uzupełniających. Bardzo silna dodatnia korelacja między współczynnikiem Hausnera a indeksem Carra wynika z faktu, że obydwa te indeksy charakteryzują tę samą cechę materiału ziarnistego, jaką jest zdolność płynięcia. Wnioski 1. Właściwości fizyczne śruty uzyskanej z wykorzystaniem różnych badanych młynów różnią się istotnie. 2. Śruta pszenna charakteryzuje się dużą kohezyjnością, niezależnie od modelu młyna walcowego użytego do rozdrabniania ziarna. 3. Śruty pszenne otrzymywane z młyna QJ charakteryzują się większą powierzchnią właściwą niż uzyskane z młyna SK. Literatura CASTAGNA R., MINOIA C., PORFIRI O., ROCCHETTI G. 1996. Nitrogen level and seeding rate effects on the performance of hulled wheats Triticum monococcum L., T. dicoccum Schübler and T. spelta L. evaluated in contrasting agronomic environments. Journal Agronomy & Crop Science 176: 173 181. EDWARDS M.A., OSBORNE B.G., HENRY R.J. 2010. Puroindoline genotype, starch granule size distribution and milling quality of wheat. Journal of Cereal Science 52: 14 320. HORABIK J. 2001. Charakterystyka właściwości fizycznych roślinnych materiałów sypkich istotnych w procesie składowania. Acta Agrophysica 54: 84 93. IZYDORCZYK M.S., DEXTER J.E. 2004. Barley: Milling and processing. In: Encyclopedia of Grain Science. W. Colin (ed.) Elsevier, Oxford: 57 68. JURGA 2009. Właściwości fizyczne i zmiany jakości mąki pszennej. Przegląd Zbożowo-Młynarski 10: 35 38. PN-74/Z-04002.07 Ochrona czystości powietrza. Badania fizycznych własności pyłów. Oznaczanie kąta nasypu pyłu.
124 J. Warechowski, M. Warechowska, K. Koźniewski PN-A-74013:1993 Pszenica. Oznaczenie wskaźnika sedymentacji. Test Zeleny ego. PN-A-74042/03:1993 Ziarno zbóż i przetwory zbożowe. Oznaczanie glutenu mokrego za pomocą urządzenia mechanicznego. Mąka pszenna. PN-EN ISO 712:2009 Ziarno zbóż i przetwory zbożowe. Oznaczanie wilgotności. PN-ISO 3093:1996/AZ1:2000 Zboża. Oznaczanie liczby opadania w aparacie Falling Number 1400. POSNER E.S. 2003. Principles of Milling. Encyclopedia of Food Science, Food Technology and Nutrition. Book Chapter. Academic Press, Harcourt Brace Jovanovich Publishers, London. SVAROVSKY L. 1987. Powder Testing Guide: Methods of measuring the physical properties of bulk powders. Elsevier Applied Science Publishers Ltd., London and New York. VELU V., NAGENDER A., PRABHAKARA RAO P.G., RAO D.G. 2006. Dry milling characteristic of microwave dried maize grains. Journal of Food Engineering 74: 30 36. WEIGHTMAN R.M., MILLAR S., ALAVA J., FOULKES M.J., FISH L., SNAPE J.W. 2008. Effects of drought and the presence of the 1BL/1RS translocation on grain vitreosity, hardness and protein content in winter wheat. Journal of Cereal Science 47: 457 468. WESTERGAARD V. 2004. Technologia mleka w proszku. Odparowanie i suszenie rozpyłowe. Niro A/S. Kopenhaga, Dania. WILSON J.D., BECHTEL D.B., WILSON G.W.T., SEIB P.A. 2008. Bread quality of spelt wheat and its starch. Cereal Chemistry 85: 629 638. WOUTERS I., GELDART D. 1996. Characterising semi-cohesive powders using angle of repose. Particle and Particle Systems Characterisation 13 (4): 254 259. ZHANG Y., QUAIL K., MUGFORD D.C., HE Z. 2005. Milling quality and white salt noodle color of chinese winter wheat cultivars. Cereal Chemistry 82: 633 638. Słowa kluczowe: właściwości fizyczne, pszenica, rozdrabnianie, skład granulometryczny Streszczenie W pracy badano wpływ zastosowanego młyna walcowego na właściwości fizyczne śruty pszennej. Rozdrabniano ziarno pszenicy odmiany Radunia na dwóch młynach. Były to młyny walcowe z czterema walcami roboczymi: Quadrumat Junior firmy Brabender oraz SK firmy Sadkiewicz. Określono podstawowe właściwości fizyczne uzyskanej śruty, takie jak: kąt naturalnego usypu, kąt tarcia zewnętrznego o metal i szkło, gęstość usypowa, parametry opisujące skład granulometryczny i parametry charakteryzujące cechy reologiczne śruty. Skład granulometryczny śruty wyznaczono za pomocą urządzenia Mastersizer 2000. Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej określono istotność różnic między średnimi i wyznaczono
WPŁYW ROZDRABNIACZA NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ŚRUTY PSZENNEJ 125 korelacje między badanymi właściwościami fizycznymi. W wyniku rozdrabniania uzyskano produkty przemiału o wyraźnie różnym składzie granulometrycznym, zależnym od użytego młyna. Uzyskane wyniki wskazują, że mimo podobnej budowy młynów i metody rozdrabniania uzyskane śruty wykazywały istotne zróżnicowanie pod względem właściwości fizycznych. MILL S INFLUENCE ON PHYSICAL PROPERTIES OF WHEAT S MIDDLINGS Józef Warechowski*, Małgorzata Warechowska**, Krzysztof Koźniewski *Chair of Process Engineering and Equipment, **Chair of Fundamentals of Safety University of Warmia and Mazury in Olsztyn Key words: physical properties, wheat, milling, particle size distribution Summary In this paper it has studied the influence of used roller mill on the wheat middlings. Wheat Radunia has been milled on two mills. There were roller mills with fours working rollers: Quadrumat Junior by Brabender and SK by Sadkiewicz. Basics physical properties of obtained milling s products were defined, such as: angle of repose, angle of external friction (metal and glass), bulk density, parameters describing granulometric composition and parameters describing rheological properties of the middlings. Granulometric composition of milling product was determined by means of device Mastersizer 2000. Obtained results have been subjected to statistical analysis: least significant differences between means was calculated and relationships between studied physical properties were designated. As a result of milling, obtained middlings substantially differ with particle size distributions. Obtained results clearly indicate, that despite similar construction used mills and similar crumbling method, the resulting middlings significant differs in physical properties. Dr inż. Józef Warechowski Uniwersytet Warmińsko-Mazurski Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej ul. Oczapowskiego 7 10-957 OLSZTYN e-mail: jozefw@uwm.edu.pl