Введение и обзор литературы
Введение
Винт экструзии широко используется для производства пластмасс, полимеров, фармацевтике и пищевой промышленности. Как правило, одношнековый экструдер состоит из вращающегося винта внутри области барреля, имеющие либо фиксированную температуру или температурный профиль с температурой выхода экструзии контролируется на одно значение(рис.1). С одной стороны, есть воронка, через которую пластиковые гранулы или пищевые подают внутрь. Экструдер может разделен на 3 части, а именно зона питания(относительно глубокие), которая секция вблизи бункера, зона пластификации, где глубина канала винта уменьшается постепенно и относительно небольшая секция дозирования одинаковой глубины канала.
Для пищевых экструдеров, корма обусловлены желаемой влажности и настройки перед входом в бункер. Материал движется через зону пластификации частично приготавливается, хорошо перемешивается и повышение температуры и давления. Оно меняется от частиц различных размеров в пластичную массу. В зоне дозирования, тесто в дальнейшем приготовлении и обрезается. В этой зоне дозирования, чтобы тесто достигнет своей максимальной температуры и давления.
Основные различия между полимером и пищевой промышленности
Хотя есть немалые сходства между полимером и пищевой экструзии, есть некоторые моменты, в которых они резко отличаются. Они заключаются в следующем:
Полимер(или термопластик) можно расплавить, а затем затвердеванием исходного материала могут быть восстановлены. Таким образом, процесс является обратимым. С другой стороны, есть необратимые реакции приготовления корма в пищевой промышленности
Приготовление пищи внутри экструдера сложный процесс. Оба химические и физические изменения могут происходить в то же время под воздействием влажного тепла, давления и сдвига. Два наиболее важные реакции в пищевой экструзии денатурация белка и желатинизация крахмала.
Тесто вязкости значительно возрастает по мере протекания реакции. В отличие от очевидной вязкости термопластов, как правило уменьшается с ростом температуры.
Ремсен и Кларк [1] показали, что для 25 процентов суспензии соевой муки, явная вязкость снижается первоначально при нагревании примерно 160 °F(71.11°C), а затем вязкость начинает расти из-за реакции денатурации(здесь реакция желатинизации крахмала не имеет значения), демонстрируя приготовленное явление. Поэтому, во время приготовления, тесто сначала столкнется «плавление» с уменьшением вязкости до критической температуры достигая в некоторой точке внизу канала, когда явная вязкость покажет рост. Короче говоря, вязкость пищевой системы не только является функцией скорости сдвига и температуры, но также зависит от состава и температурно-временных истории процесса.
Таким образом, в термине «плавление» и «приготовление» что аналогия между пищей и пластификацией останавливается.
Литературный обзор
В последние годы, экспериментальные и численные исследования были сделаны чтобы понять основные физические явления в шнековом экструдере [2-4].
Рис 1. Типичный одношнековый экструдер
Гриффит решил определяющее уравнение для полностью выведенного(как термически и гидродинамически) течение несжимаемой жидкости через шнековый экструдер со скоростью и температуры по сути те же, что в канале бесконечно длины и ширины. Эффект кривизны и утечки через рейсы были проигнорированы. Он признал важность поперечной тепловой конвекции, то есть нормальная конвекция винт рейсов в рециркуляционном течении в канале(также известный как кросс-конвекция) в своем выборе теплового состояние границ на винте, установив температуру равное температуре барреля. Мартин также подтвердил предположение Гриффита. Маршал и др. и Палит сообщили подробные экспериментальные результаты, полученные от 63,5мм(2,5 дюйма) экструдеров обработки таких материалов, как полиэтилен низкой плотности, полипропилен и поливинилхлорид, которые показали, что температура поверхности винта резко возросло вместе с зонами питания и пластификации, чтобы стабилизировать значение несколько выше, чем температура баррель вдоль большой части зоны дозирования. Замодит и Пирсон получили численное решение полного разложенного двумерной изотермической и неньютоновского потока расплава полимеров в бесконечно широком канале прямоугольного сечения винта. Раунвендаал и Лаппе и Потенте обсудили отношение между расходом объема и давления для одновинтового экструдера. Лидор и Тадмор и Бигг и Миддлемен провели теоретический анализ, чтобы определить распределение местонахождение функции времени и распределение деформации в винте экструдера. Тадмор и Гогос и Феннер получили решение для потока полимерного материала в различных зонах экструдера. Феннер решил также случай, когда температурный профиль развивается вдоль винта канала. Элбирли и Линдт сообщили результаты модели, в которой температура было позволено развиваться вдоль винта канала. В этих моделях винт и баррель считались при той же температуре. Агур и Влачопоулус исследовали поток из полимерных материалов, в которую вошли модели для потока твердых тел в загрузочный бункер, модель для твердой зоны транспортировки и модель для расплава зоны транспортировки. Мокхтарин и Эрвин разработали математическую модель для смешивания в одношнековом экструдере.
Das и Ghoshdastidar представили сравнительное исследование квази-двумерной и полностью двумерной компьютерной модели зоны дозирования пластификация экструдера учитывая связь теплообмена между расплавом и телом винта. Jones и соавторы использовали вышеупомянутые квази-двумерную модель для разработки большого одновинтового расплава полимера экструдера. Квази-трехмерная модель устойчивого состояния были разработаны Das и Ghoshdastidar рассматривая тепловую поперечную конвекцию, то есть нормальная конвекция винта рейса и основание, и в сочетании теплообмена в расплаве и винте. Модель предназначена для зоны дозирования. Поток считается гидродинамично развивается, но термически не развита.
Sastrohartono и соавторы разработали численную модель трехмерного транспорта связано с пластиковой экструзии в одношнековом экструдере использованием метод конечных элементов и сравнили численные результаты с экспериментальными удовлетворительно, совершенно ими. По прогнозам Das и Ghoshdastidar результаты Sastrohartono и соавторов четко указывает недостатки двумерного моделирования.
Esseghir и Sernas провели хорошо продуманный точный контролируемый инновационный эксперимент по одновинтовой и двухшнекового экструдера как сообщает Jaluria. Gopalakrishna и соавторы провели изучение вычислительных тепло- и массообмена в одношнековом экструдере для неньютоновских материалов.
В пищевой реологии экструзии, ключевым вопросом является получение полезной информации. Как отметил Schwartzberg существенные трудности измерения реологии тесто в том что реологические свойства зависят от кинетических явлений, таких как сшивание и распад белков. Chen и соавторы, Remsen и Clark [1] и Cervone и Harper были получены кривые течения при различной температуре и расходе условия, от которых реологические свойства выводятся. Некоторые усилия для учета температуры и состава были также вышеупомянутого исследованы. Fong провел экспериментальное изучение экструзии приготовления теста обезжиренной соевой муки. Harper и соавторы предложили логарифмическую форму смешивания роли с учетом изменения в явной вязкости при изменении влажности и форма уравнения Аррениуса, коррелирует с изменением температуры. Эта модель не учитывает изменение в явной вязкости из-за приготовления пищи. Для моделирования температурно-временных эффектов на явной вязкости соевого белка тесто, Ремсен и Кларс применили работу Роллера. Эта модель появилась полезна для начальной стадии денатурации только. Морган и соавторы разработали модель, которая описывает эффекты температурно-временной истории, температуры, скорости сдвига и влагосодержание на явной вязкости обезжиренной соевой муки тесто. Для оценки этой модели, температура как функция времени не требуется. Ни одна из моделей не существует которое описывает явную вязкость в зависимости от состава, изменение градиента, времени, температуры и других экструзионных параметров. Степенная модель была использована для описания изотермического потока через зону дозирования Harmann и Harper [33] и Tsao и соавторов, и для приготовления экструзии Fricke и соавторами. После простейшей модели для описания важных изменений в вязкости, которые происходят со временем в процессе приготовления пищи теста существует, его можно теоретически смоделировать весь процесс приготовления экструзии, что приведет к лучшему пониманию основных переменных и их влияние на скорость экструзии, затрат энергии и готовой характеристики продукта.
Kokini и соавторы дали последний статус в пищевой технологии экструзии. Wang и соавторы обсудили химическую реакцию и преобразование аспектов воскового кукурузного крахмала.
Вышеупомянутый обзор литературы, а также недавнюю статью обзора Jaluria не выявили каких-либо работ, связанных с трехмерной компьютерной моделировании или недавние экспериментальные результаты, касающиеся увлажненной переработке сои муки в одношнековом экструдере. Это означает, что настоящая работа основана на последних данных в этой области.