Совершенствование технологии разделения частиц вороха резаного картофеля путем определения параметров и режимов работы барабанной сортировки

Важной проблемой на сегодняшний день остается глубокая переработка выращенной сельскохозяйственной продукции.

Переработка картофеля в картофелепродукты получила широкое распространение в мировой практике. В Англии более 20% выращенного картофеля поступает на переработку, причем 30% из этого объема перерабатывается в хрустящий картофель, 13, 5% - в сухой, 56, 4% - в замороженные продукты [60,135].

Картофелепродукты и в России приобретают все большую популярность, особенно картофель хрустящий, чипсы, замороженный картофель — фри, пюре и крупка. Анализ потребительского рынка показывает, что на 50% он заполнен российской продукцией и на 50% - импортной. Импортные продукты поступают из Швеции, Финляндии, Ирландии, Чехии, Южной Кореи и Прибалтики. За исключением хрустящего картофеля, спирта и крахмала, до последнего времени остальные картофелепродукты поставлялись по импорту (чипсы, картофель-фри, картофельное пюре, котлеты) При этом следует отметить, что импортная продукция производится и поступает от крупных зарубежных фирм, а отечественная продукция, наоборот, производится в основном мелкими фирмами.

Из зарубежных производителей наиболее известны фирмы: шведская «LAYS», немецкая промышленная группа «CONVENT», выпускающая продукцию под марками «Funny Frish», «Chio Chips», «Truller» и «Wolf', американские „Yukon Golden“, „Utz“, „Jounson Potato Farms“, „Crooks Farms“, 1″ Sackett Ranch», «Sackett Potatoes», «John Boyd Co», «State line». Транснациональные компании «Farm Frites», «McCain», «Fri — d, Or», «Pepsico» недавно построили производственные предприятия в Польше и Чехии. Компания «Aviko» является одной из известнейших компаний по производству картофеля-фри. Сегодня компания производит 1 400 000 тонн картофеля в год. Фабрики компании «Aviko» расположены по всему миру [126,131].

Продукция компании изготовлена из отличного картофеля голландских сортов. Он прост в приготовлении, так как уже предварительно бланширован и обжарен. Ассортимент представлен такими видами картофеля как: волнистый картофель-фри, картофельные шарики и розочки, картофельные крокеты и котлеты, картофель-фри для духовки и др. На рынке самым большим спросом пользуется картофель-фри Фрианд, а также картофель-фри для духовки [84,134].

Большим спросом, особенно в зимний период в нашей стране начинает пользоваться быстрозамороженный картофель-фри и консервированный. Для производства этих картофелепродуктов созданы предприятия в Подмосковье и Санкт — Петербурге, но они не закрывают потребностей всего рынка. Оборудование для производства полуфабрикатов из картофеля изготавливается в России, Белоруссии, Швейцарии, Германии, Италии и др. странах.

В России — это завод «Арсенал» (г. Санкт — Петербург). Пензенский завод «Химмаш» выпускает универсальный комплекс ЗФ — ПОК (разработка КБТМ), предназначенный для приготовления обжареных картофелепродуктов: картофель хрустящий, «Соломка», «Оригинальный», «Палочки картофельные». В Белоруссии — завод «Белтехнопрод» .

Итальянские фирмы «PAVAN» и «FATA GROUP» поставляют в Россию высококачественное оборудование по производству картофеля-фри, полуфабрикатов и чипсов. Оборудование по производству чипсов, картофеля-фри и хрустящего средней и большой мощности поставляют также фирмы Перфи" «LEVATI» (США), «Kiremko» (Голландия), «ALFA — LAVAL» (Швеция) -оборудование для производства хлопьев, муки, «PAUL KUNZ» оборудование для производства чипсов.

Создание предприятий с полным производственным циклом производство — переработка картофеля, в свою очередь, требует решения задачи повышения плодородия почв и снижения использования пестицидов — основных факторов, закладывающих фундамент высококачественного сырья. Другая задача — выбор, выращивание и переработка сортов картофеля, наиболее пригодных для производства хрустящего картофеля. Очистки и нестандартный картофель используют на корм скоту, сточные воды вывозятся на поля в качестве удобрений и вместо проблем с утилизацией дают прибыль [134, 135].

Требуется совершенствование технологии, выведение и выращивание сортов картофеля, отвечающих технологическим требованиям, разработка и выпуск современного технологического оборудования.

Использование картофеля в переработанном виде в России пока составляет 0,8 -1% валового сбора урожая, в США — 50%.

Ассортимент продукции, вырабатываемой в США, превышает 100 наименований, среди которых преобладают быстрозамороженные картофелепродукты. Вырабатывают их разной степени готовности и с учетом потребности различных возрастных групп населения [60].

Считается наиболее экономичным сосредоточивать производство замороженных и сушеных картофелепродуктов в местах массового производства картофеля, а хрустящий и обжаренный картофель — ближе к местам потребления. Основные картофелеперерабатывающие предприятия размещать в местах товарного выращивания картофеля. Такие предприятия могут работать с полной нагрузкой 9. 10 месяцев в год.

Широко развито и продолжает расти производство картофелепродуктов и в других развитых странах. Так, в Германии и Англии предпочтение отдают быстрозамороженным продуктам, а во Франции — сушеным и обжаренным изделиям.

В России наибольший удельный вес приходится на производство быстрозамороженных продуктов—около 35%, сушеных—около 24%, обжаренных — 23% общего объема производства [134, 135].

В нашей стране на сегодняшний день выпускают ограниченный ассортимент продуктов питания из картофеля и подчас только пробными экспериментальными партиями:

— продукты с высоким содержанием влагистерилизованный картофельсвежий очищенный, сульфитированныйбыстрозамороженные картофелепродукты;

— продукты во фритюре: картофель «фри», картофельные палочки, картофельные котлеты, оладьи, чипсы, хрустящий картофель, хворост, гарнирный обжаренный картофель;

— сушеные продукты: нарезанный сушеный картофельсухое картофельное пюре (хлопья, крупка, гранулы, молочно-картофельное пюре).

Исследованиями проблемы механизации производства, хранения и переработки картофеля занимаются ведущие учёные академик МАЭН ВНИИ картофельного хозяйства В. И. Старовойтов, заведующий лабораторией ОАО «ВИСХОМ» академик H.H. Колчина, д.т.н. Э. С Рейнгарт, В. В. Тульчеев, В. В. Чугунов (Россия), И. Колядко, В. Маханько БелНИИК (лаборатория селекции картофеля Белоруссии).

В настоящее время в России и Белоруссии многие крупные заводы практически не работают. Работают небольшие, недавно созданные предприятия, например, в Новосибирской области в Искитимском районе (производительностью 225 т/год), в Брянской области, Волховский овощесушильный завод Орловской области, Тольяттинский комбинат общепита ВАЗа. Аналогичные производства создаются в Дмитровском, Серпуховском районах Московской области и других регионах. В Белоруссии работают Марьиногорский завод картофелепереработки (г. Марьина Горка, Минский р-н), Узденский (г. Узда Минской обл.), Ганцевичский экспериментальный консервноовощесушильный (г. Ганцевичи, Брестская обл.).

Основная проблема, во первых — отсутствие крупных финансовых средств для закупки зарубежных линий или отдельных машин по переработке картофеля стоимостью несколько десятков, а иногда и сотен тысяч долларов, во вторыхпроблема качества и соответственно конкурентоспособность продукции, выпущенной на отечественном оборудовании.

При производстве продукции растениеводства важное место отводится не только получению высоких урожаев, но и снижению до минимума потерь, возникающих в процессе хранения и на пути к потребителю. В нашей стране с разными климатическими условиями не везде возможно возделывание картофеля, например в районах Крайнего Севера, а спрос на овощи является постоянным и стабильным. Известно, что 1 кг гарнирного картофеля эквивалентен примерно 2 кг свежего необработанного картофеля, поэтому, применение перерабатывающих технологий способствует сокращению транспортных затрат и более полному насыщению рынка. Однако, в последнее время российским товаропроизводителям приходится конкурировать с импортными продуктами, поставляемыми в красочной упаковке и по более низким ценам. Отечественная продукция может быть конкурентноспособной только в том случае, если выпускаемые пищевые продукты экологически «чистые» и безопасные, в тоже время не уступающие по внешнему виду, оформлению и, самое главное, по качеству и вкусовым свойствам. Актуальными и востребованными на сегодняшний день являются полуфабрикаты из картофеля.

При производстве быстрозамороженного картофеля, основной операцией технологического процесса является отделение вороха стандартных столбиковчастиц с требуемыми размерами от обрезей, неизбежно возникающих после нарезки клубней. Практика показывает, что процент поступающих с резательных машин обрезей колеблется от 29 до 61% и выше, согласно технологическим требованиям ТУ 10.03.757−89, ТУ 9166−185−4 782 324−00 допускается в пределах 5−8% [50,109].

В связи с этим, вопросу отделения стандартных столбиков-частиц от обрезей уделяется большое внимание.

В настоящее время, в перерабатывающей промышленности используются, в основном, две машины. Первая использует вибросита с перфорированной поверхностью для калибрования по длине. Меняя диаметр отверстий, можно установить желаемую длину ломтиков. Вторая машина состоит из поверхности с вращающимися роликами, отбраковывающими продукт, не проходящий по толщине. Ручное отделение некондиционных частиц в производственных условиях трудоемко и малопроизводительно, но применяется даже на зарубежных линиях. Представленные устройства обладают рядом существенных недостатков: низкая производительность, вследствии двойного воздействия дополнительно травмируется до 6% обрабатываемого материалавысокие Энергозатраты на рабочий процесс. Альтернативный вариант концерна Levati Food Tech S.r. 1.. (США-Италия) — оптический сортировщик, отличается высокой ценой, сложностью конструкции, высокими требованиями к обслуживанию и в Россию практически не поставляется. Таким образом, проблема теоретического обоснования, исследования, разработки и внедрения в производство заменяющих ручной труд технических средств сортирования частиц резаного картофеля является актуальной и имеет важное производственное значение.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА по заданию Министерства сельского хозяйства и продовольствия Удмуртской Республики «Механизация возделывания, послеуборочной обработки, хранения и переработки картофеля» (№ гос. Регистрации 01.20.03 2 046).

Цель исследований. Исследование и совершенствование технологии разделения частиц вороха резаного картофеля путем определения параметров и режимов работы барабанной сортировки для обеспечения качества, удовлетворяющего технологическим требованиям при минимальных энергозатратах.

Объект исследования.

Картофель и сортировка барабанного типа для калибровки частиц его резаного полуфабриката.

Предмет исследований.

Аналитические и графические зависимости, характеризующие процесс разделения частиц вороха резаного картофеля.

Теоретической и методической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих ученых-инженеров, научно-исследовательских учреждений и специалистов-практиков по исследуемой проблеме. В процессе решения задач применялись аналитический, графический, расчетно-конструктивный методы, а так же методики по определению экономических показателей эффективности работы.

Информационную базу исследования составляют статистические данные по России и Удмуртской Республике, материалы научных конференций, научно-техническая литература, отечественные и зарубежные технологии и оборудование по производству картофелепродуктов, а так же материалы периодической печати и научных изданий.

Научную новизну работы составляют:

— разработанная конструкция барабанной сортировки для разделения вороха частиц резаного картофеля;

— методика расчёта оптимальных параметров и режимов работы барабанной сортировки;

— математическая модель процесса разделения частиц вороха резаного картофеля.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

На основании проведённых исследований разработана, изготовлена и опробована машина, сортирующая ворох частиц картофеля после нарезки клубней, обеспечивающая качество сортирования, удовлетворяющее технологическим требованиям. Получены аналитические выражения для расчёта и проектирования рабочих органов машины. Результаты исследований использованы при модернизации линии по переработке картофеля, которая функционирует в ЗАО «КОКОС», г. Воткинска, Удмуртской Республики.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях в ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА (2000;2003 гг.), обсуждены и одобрены специалистами ЗАО «КОКОС».

Защищаемые положения:

— теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров барабанной сортировки;

— конструктивное решение и принцип работы барабанной сортировки резаного картофеля;

— анализ движения частицы по рабочей поверхности;

— результаты экспериментальных исследований;

— технико-экономическое обоснование целесообразности использования барабанной сортировки при производстве быстрозамороженного картофеля.

Публикации. Соискатель имеет 6 публикаций, в которых изложено основное содержание диссертации. Отдельные положения диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров, магистров по специальностям, связанным с применением перерабатывающих технологий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и общих выводов, списка использованной литературы из 135 наименований и приложений. Работа содержит 155 страниц, 29 рисунков, 14 таблиц и 12 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

М общие выводы.

1. Анализ существующих технологий и способов переработки картофеля, в частности при производстве быстрозамороженного картофеля, показал, что все они имеют тот или иной недостаток (трудоемкость, малая производительность, высокая стоимость и т. д.). Поэтому, актуален поиск более эффективных технологий и приемов переработки, в соответствии с заданием МСХ РФ и Министерства сельского хозяйства Удмуртской Республики — регистрационный номер № 01.20.03 2 046 «Механизация возделывания, послеуборочной обработки, хранения и переработки картофеля» — УДК 631.171:65.011.54:635.21+631.171.:664.8/.9.

Одним из способов, совершенствующих технологию производства и, соответственно, качество и конкурентоспособность конечного продуктаполуфабрикатов из картофеля — является калибрование резаных частиц в разработанном и предлагаемом в этой работе сортировальном устройстве.

2. Обзор существующих способов и оборудования для сортирования отечественных (фирма «ДИАЛОГ-ПЛЮС»), зарубежных (фирма «Levati Food Tech S.r.l.») производителей, показывает, что большинство способов и технических средств для их осуществления в настоящее время не нашли ещё широкого распространения из-за сложности реализации, низкой удельной производительности установок и отсутствия сведений об их эффективности.

3. В результате выполненных теоретических исследований изучен характер сортирования и определены значения технологических и конструктивных параметров рабочего органа: радиус барабана 116=0,175 м, частота вращения п 7,14. 14,29 об/мин, угол наклона барабана 1.110, длина сортирующей поверхности L = 0,6.0,83 м, обеспечивающие необходимую интенсивность воздействия на сортируемый материал.

4. Разработана и апробирована методика отделения обрезей от стандартных столбиков, полученная математическая модель процесса разделения частиц.

116 резаного картофеля на фракции позволила определить оптимальные значения управляющих факторов:

— Х1 -частота вращения барабана п=5 об/мин;

— Х2 — угол наклона барабана, а=6.

— Х3 — длина участка отделения обрезей, Ь=0,7 м.

5. Учитывая результаты теоретических исследований, экспериментально проверено, что оптимальный режим сортирования частиц полуфабриката быстрозамороженного картофеля в разработанной установке обеспечивается при п=5 об/мин, а=6 Ь=0,7 м, а процесс производства полуфабрикатов из картофеля становится более технологичным и современным. Имеется возможность полностью отказаться от применения ручного сортирования и визуального контроля на этапах технологического процесса: нарезка-сортирование — тепловая обработка (замораживание).

6. Практическая проверка результатов исследований доказала, что калибрование частиц полуфабриката картофеля в сортировке барабанного типа приводит к повышению качества продукции и увеличивает производительность всей линии. При проведении производственных испытаний макетного образца барабанной сортировки в составе технологической линии по переработке картофеля в ЗАО «Кокос» и выдержанных оптимальных значениях управляющих факторов установлено, что точность сортирования составляет 94−97%, а это обеспечивает соответствие конечного продукта технологическим требованиям ТУ 9166−185−4 782 324−00, ТУ 10.03.757−89 при производитель-ности машины до 0,4 т/ч. При ?)= 0,4 т/ч, остаточная загрязнённость составила 8ост= 5,7% с суммарными энергозатратами линии Э= 0,84 кВт-ч/т.

7. На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований предложена конструкция барабанной сортировки и документация на неё. На разработанную технологическую установку подана заявка на выдачу патента в Федеральном институте патентной собственности.

8. Внедрение барабанной сортировки в линию по переработке картофеля (на примере ЗАО «Кокос») приводит к снижению приведенных затрат на 60,8 руб./т и увеличению прибыли за счет увеличения производительности линии на 18,04 руб./т.

В результате годовой экономический эффект от использования макетного образца составил 37 086,3 руб. (в ценах 2003 г.) при годовой выработке 470,4 тонн. Срок окупаемости установки 0,23 года.