ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Теоретико-методологический анализ существующих технологий переработки зерна
Мельница — механизм, предназначенный для измельчения и уменьшения размеров частиц сыпучих, а также пастообразных материалов.
Современное мельничное производство осуществляет:
1) прием зерна с целью создания оперативного запаса для обеспечения бесперебойной работы предприятия;
2) оперативное хранение зерна в мельничном элеваторе;
3) подработку зерна в элеваторе с целью доведения его качества до мельничных кондиций;
4) формирование помольных партий зерна высокого качества на максимально возможный период;
5) передачу зерна в зерноочистительное отделение мельницы;
6) подготовку зерна к помолу в соответствии с заданной технологией;
7) переработку зерна в муку (крупу);
8) формирование сорта или вида продукции;
9) хранение и отпуск готовой продукции потребителю;
10) подработку, хранение и реализацию отходов.
Осуществление этих операций возможно при наличии в составе мельницы следующих сооружений специального назначения:
• основные производственные объекты — мельничный элеватор или склад сырья, мельница, цех готовой продукции;
• объекты подсобно-производственного и обслуживающего назначения — цех отходов, приемные и отпускные устройства для зерна, готовой продукции, отходов, мастерские различного назначения, материальные склады, энергетическое хозяйство, водопроводные, канализационные, транспортные сети и сооружения, лаборатории технохимического контроля и т. п.;
• административные и культурно-бытовые объекты.
На рисунке 1 показана принципиальная схема работы основных цехов мукомольного завода. В соответствии с назначением каждому производственному объекту отведена определенная роль в реализации целевой задачи технологии — переработать зерновое сырье с максимальной эффективностью, получить продукцию заданного ассортимента и качества с минимальными эксплуатационными затратами [1, 10].
Так, основная функция производственного элеватора — это прием, оперативное хранение и создание запаса зерна, обеспечивающего бесперебойную работу мукомольного завода в течение длительного периода (не менее чем в течение трех месяцев). При этом главной производственной функцией элеватора остается формирование помольной партии зерна высокого качества в соответствии с типом технологии. По технологическому регламенту зерно в соответствии с рецептурой помольной партии не реже, чем один раз в сутки передается из элеватора на мукомольный завод и размещается в блоке емкостей для неочищенного зерна. Вместимость этих емкостей должна обеспечить бесперебойную работу мельзавода не менее чем на одни сутки.
Несомненно, что в ряду объектов различного назначения наиболее сложным в технологическом отношении является собственно мукомольный завод или мельница. Традиционно в состав мукомольного завода входят емкости для неочищенного зерна и отволаживания, подготовительное (зерноочистительное) отделение, осуществляющее очистку зерна от примесей, сухую и влажную обработку поверхности зерна и гидротермическую обработку, а также размольное отделение, где из зерна получают основную продукцию. Процесс производства муки на мельницах осуществляется в многоэтажных зданиях, что позволяет эффективно использовать гравитационный или самотечный транспорт зерна, промежуточных и конечных продуктов. Технологический процесс на мельницах осуществляет сложный комплекс машин и механизмов различного назначения, объединенных единой целью.
Построение технологии на этапе подготовки зависит от многих факторов, в числе которых:
• вид перерабатываемой культуры;
• степень засоренности зерна;
• эффективность технологии на отдельных этапах;
конструктивные особенности применяемого оборудования;
• сложность отдельных операций, например, применение различных способов гидротермической обработки и т. п.
В размольном отделении мельницы сложность технологии определяется в основном заданной степенью разделения основных анатомических частей зерна — периферии в виде оболочек, зародыша и эндосперма. Как известно, периферия зерна дает основной побочный продукт технологии - отруби, а эндосперм - муку. Чем меньше оболочек попадает в муку и чем меньше эндосперма окажется в отрубях, тем выше эффективность технологии. Это достигается избирательным измельчением эндосперма с сохранением целостности оболочек, т. е. соблюдением строго определенных режимов измельчения. Желание сохранить оболочки в целостности (и.не допустить их интенсивного измельчения и попадания в муку) предопределяет мягкое постепенное воздействие измельчителей на зерно и промежуточные продукты. Отсюда и возрастание общего количества систем измельчения, а также систем для сортирования продуктов измельчения по крупности и добротности, т. е. возрастание сложности технологии [4].
Рисунок 1 - Схема работы мукомольного завода:
1 — силосный корпус; 2 — рабочая башня; 3 — емкости для неочищенного зерна; 4 — емкость для отволаживания; 5 — зерноочистительное (подготовительное) отделение; 6 — размольное отделение; 7 — емкости для бестарного хранения продукции; 8 — технологические помещения цеха готовой продукции.
Таким образом, на основании анализа техники и технологий переработки зерна установлено, что значительная часть мельничных комплексов, была построена в 70 - 80-е годы прошлого века, и по разным данным, износ мельничного оборудования составляет до 56%.
1.2 Объёмы производства и переработки твердой пшеницы в РФ
Дурум выращивают в регионах с сухим климатом, высокими дневными температурами и небольшим числом дней с осадками - агрокультура идеально подходит для засушливых территорий. Совокупность этих факторов обеспечивает хорошее качество получаемой продукции, лидерами производства являются Оренбургская, Челябинская, Саратовская, Самарская области, Алтайский и Ставропольский края. Здесь сосредоточена основная доля посевных площадей твердой пшеницы, возделываются сорта ярового образа жизни. Озимая твердая пшеница также выращивается в южных регионах (Краснодарский край, Ставропольский край, Ростовская область).
По оценкам экспертов, около 60% урожая дает Приволжье, 20% - Урал, около 10% производит Сибирь, столько же Юг и Северный Кавказ. Высокая концентрация посевов на Урале объясняется природно-климатическими особенностями — там короткое, но жаркое и сухое лето. В Оренбургской области выращивается наибольшая часть всей отечественной пшеницы твердых сортов. При этом в регионе всерьез задумываются о расширении площадей посевов твердой пшеницы.
Рисунок 2 - Регионы производства макаронной муки из твердой пшеницы
Согласно целевой региональной программы «Развитие производства твердой пшеницы в Оренбургской области» предусматривается двукратное увеличение валовых сборов твердой пшеницы. По данным регионального Министерства сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности, посевы дурума в Оренбуржье составляли около 250 тыс. га, планируется, что к 2025 г. твердой пшеницей будет занято 400 тыс. га, а ее урожай превысит 770 тыс. т.
Второй крупный производитель пшеницы твердых сортов в стране – Челябинская область. По данным пресс-службы регионального Минсельхоза, в последние годы ее возделывали на 130-140 тыс. га. Однако урожайность этой агрокультуры из-за частых засух на Южном Урале крайне неустойчива. Тем не менее, потребность в зерне твердых сортов в регионе стабильна для того, чтобы обеспечить потребности местных перерабатывающих предприятий, ежегодно требуется 300 тыс. тонн дурума. Также крупным производителем твердой пшеницы является Алтайский край.
По данным главного управления сельского хозяйства региона, ежегодно здесь выращивают 40–50 тыс. т этой агрокультуры, посевы составляют около 30–40 тыс. га. В перспективе нарастить объемы производства могут Самарская и Саратовская области. В 2019-2020 гг. в Самарской области под твердую пшеницу было занято около 30 тыс. га. При этом НИИ сельского хозяйства им. Н. М. Тулайкова оценивает оптимальные посевы яровой твердой пшеницы в регионе в 100–120 тыс. га. В Саратовской области в 2020 г. дурум выращивали почти на 45 тыс. га.
Увеличить производство агрокультуры планирует Башкортостан. Планируется, что в ближайшие годы в регионе на твердые сорта пшеницы будет приходиться 30– 40% общих посевов, а в районах южной лесостепной и предуральской степной зоны - до 10%.
Технология возделывания твердой пшеницы аналогична производству мягких сортов, но более требовательна к срокам сбора. Даже недельный перестой дурума сверхоптимального периода обмолота чреват потерей стекловидности, что значительно усложняет последующую реализацию зерна. Из-за снижения качества производители макаронных изделий теряют интерес к закупкам, при этом в переработку на хлебопекарную муку такая пшеница не подходит, для фуражных целей она не используется из-за высокой клейковины.
Также для выращивания твердых сортов требуется более тщательно подбирать минеральные удобрения и планомерно их вносить, также необходимо большее число солнечных дней. Колос дурума сложнее защитить от болезней, прежде всего от фузариозов, требуется применение эффективных средств защиты растений. Также агрокультура более чувствительна к предшественнику и не способна дать большой урожай при выращивании на одном и том же участке более двух лет подряд.
Из-за всех этих факторов затраты на выращивание твердых сортов на 15–20% выше по сравнению с мягкими, но, если удается получить урожай надлежащего качества, эти расходы компенсируются более высокими закупочными ценами.
Основными потребителями пшеницы твердых сортов являются крупные производители макаронных изделий — такие компании, как «Макфа», «СИ Групп», «Лимак», «Барилла» и другие игроки из Центрального Черноземья, Сибири и Поволжья. Переработка в основном сконцентрирована в регионах возделывания агрокультуры. Для них основной критерий, влияющий на закупочную цену пшеницы твердых сортов является стекловидность.
На показатели качества зерна твердых сортов пшеницы сказываются многие факторы: своевременность уборки, продолжительность засух и т.д. Чем больше уровень стекловидности — тем выше цена на пшеницу, однако, если этот показатель не будет превышать 70%, то сельхозпроизводителям придется продавать зерно по цене обычной пшеницы.
1.3 Общая характеристика процессов мукомольного производства
Технологические линии современных мельничных предприятий полностью автоматизированы: они обеспечены средствами автоматической настройки и регулирования режимов работы машин, а также определения качества продукции в потоке. Управление многими процессами осуществляется с помощью компьютерных технологий.
Характеристика продукции и сырья
Мука — продукт помола зерна пшеницы. Свойства муки прежде всего зависят от химического состава и строения эндосперма зерна — места отложения питательных веществ. Его основную массу составляют природные полимеры — крахмал и белки. Их общее содержание в зерне пшеницы составляет около 85 % на сухое вещество. Строение эндосперма зерна определяет особенности вырабатываемой муки.
Различают три вида пшеницы: мягкую, мягкую стекловидную и твердую (дурум). Ткани эндосперма зерна мягкой пшеницы имеют мучнистую непрозрачную структуру, состоящую из мелких зерен крахмала, заключенных в тонкие прослойки белковых веществ. Из такого зерна вырабатывают хлебопекарную муку. Клетки эндосперма стекловидных, твердых видов пшеницы окружены толстыми аморфными прослойками белков, придающих им прозрачность. Стекловидные зерна по сравнению с мучнистыми имеют большую плотность, абсолютную массу и прочность. Из них вырабатывают муку (в виде крупки или полукрупки) для макаронных изделий.
В зависимости от качества муку подразделяют на обойную, высшего, первого или второго сорта, а также на крупчатку. Обойная мука вырабатывается из несеяной муки и содержит в своем составе измельченные частицы эндосперма зерна и наружной оболочки (отрубей). Сортовую муку производят из сеяной муки. Каждый из видов сорта муки регламентирован соответствующими характеристиками свойств муки: цветом, зольностью, крупностью помола и количеством сырой клейковины.
Качество муки существенно зависит от содержания в ней частиц оболочки — отрубей. Основными структурными компонентами оболочки являются клетчатка и зольные элементы (кремний, фосфор, калий и др.). Поэтому величина зольности муки является косвенной характеристикой количества отрубей. В общем случае считается, чем ниже зольность муки, тем меньше она содержит отрубей и имеет более высокое качество.
Промежуточными продуктами помола зерна являются крупки различных размеров. Крупка чистого эндосперма зерна является высококачественным продуктом: крупчатка хлебопекарной муки, крупка и полукрупка макаронной муки или манная крупа. Крупка, на поверхности которой имеется оболочка, при сортовых помолах подлежит дальнейшей обработке с целью удаления оболочки [13, 15].
Таблица 1 – Виды помолов с выработкой муки для макаронных изделий (в %)
Продукты помола Макаронные помолы твердой пшеницы Макаронные помолы стекловидной мягкой пшеницы Хлебопекарные помолы мягкой пшеницы с отбором макаронной крупки
двухсортные трехсортные трехсортные трехсортные
Мука всего, 75 75 75 75
В том числе:
Высшего сорта (крупка) 55-60 40-50 20-25 5-20
Первого сорта (полукрупка) - 10-20 25-30 -
Высшего сорта (хлебопекарная) - - - 10-30
Первого сорта (хлебопекарная) - - - 20-45
Второго сорта 15-20 15 20-25 5-20
Побочные продукты:
Мучка кормовая 3 3 3 3
Отруби 19,1 19,1 19,1 19,1
Кормовые зернопродукты 2,2 2,2 2,2 2,2
Отходы с механическими потерями 0,7 0,7 0,7 0,7
Итого: 100 100 100 100
Особенности производства и потребления готовой продукции
Мукомольные предприятия, как правило, размещаются в местах потребления продукции. Сущность мукомольного производства заключается в измельчении зерна и разделении его составных частей: оболочек, эндосперма и зародыша.
Зерно злаков имеет сложную твердую, плотную и прочную аморфно-кристаллическую структуру с различными прочностными характеристиками составных частей. Поэтому для переработки зерна применяют различные машины и аппараты, оказывающие механические и гидротермические воздействия на зерно и продукты его разрушения.
Рисунок 3 - технологическая схема подготовки зерна на мукомольном заводе: 1 – силосы для неочищенного зерна; 2 – регулятор потока УРЗ-1; винтовые конвейеры Р3-БКШ; 4, 25 – магнитные аппараты У1-БМЗ-01; 5 – разгрузители У2-БРО; 6; 24 – автоматические весы АВ-50-3Э; 7 – подогреватели зерна БПЗ; 8 – сепаратор А1-БИС-12; 9 – циклон А1-БЛЦ; 10 – камнеотделительные машины Р3-БКТ; 13 – обоечная машина Р3-БМО-6; 14 – пневмосепаратор Р3-БСД; 15 – машины А1-БМШ для мокрого шелушения зерна; 16 – винтовые конвейеры; 17 – силосы для отволаживания зерна; 18 – увлажнительный аппарат А1-БАЗ; 19 – обоечная машина Р3-БМО-12; 20 – энтолейтор-стерилизатор Р3-БЭЗ; 21 – аспиратор Р3-БАБ; 22 – увлажнительный аппарат А1-БУЗ; 23 – бункер перед I дранной системой; 26 – компрессор типа ЗАФ; 27 – пресс для отжима моечных отходов; 28 – сушилка для моечных отходов.
Наружную поверхность зерна очищают от приставшей пыли, отделяют бородки и частично снимают плодовые оболочки и зародыши на обоечных и щеточных машинах. В энтоленторах зерно и продукты его измельчения подвергают стерилизации путем ударных воздействий. В результате живые вредители уничтожаются, зерна с личинками разрушаются, а личинки в основном погибают.
При сортовых помолах зерна качество муки повышают путем его гидротермической обработки.
В результате такого воздействия ослабляются связи между эндоспермом и оболочками; структура оболочек из хрупкого состояния переходит в пластично-вязкое. Все это в совокупности облегчает отделение плодовых и семенных оболочек зерна с минимальными потерями эндосперма. Кроме того, улучшаются хлебопекарные качества муки вследствие воздействия тепла на белковый комплекс увлажненного зерна. На многих этапах мукомольного производства из зерна и продуктов его измельчения удаляют металломагнитные примеси.
Зерно измельчают двумя параллельными цилиндрическими вальцами, вращающимися навстречу один другому с различными скоростями. Обычно применяют нарезные мелющие вальцы, на поверхности которых нанесены рифли. Профиль, уклон, количество и взаимное расположение рифлей выбирают в зависимости от требуемой крупности помола и прочностных характеристик измельчаемого зерна. Они должны обеспечивать максимальное количество крупок различных размеров при минимальном выходе порошкообразной муки.
Таблица 2 - Ориентировочные режимы холодного кондиционирования пшеницы при помолах с выработкой муки для макаронных изделий
Тип пшеницы Общий прирост влажности зерна, % Основные этапы кондиционирования Влажность на I дранной системе, %
Первый Второй
Влажность зерна, % Продолжительность отволаживания, ч Прирост влажности, % Продолжительность отволаживания, ч
I, IV Менее 3,0
3,0 и более 15,0-15,5
14,0-14,5 3-5
6-8
-
1,0-1,5 -
1-2 15,5-16,0
16,0-16,5
II Менее 3,0
3,0 и более 15,5-16,5
14,5-15,0 4-8
8-12 -
1,5-2,0 -
2-4 16,0-16,5
16,0-17,0
Частицы крупки, на поверхности которых сохранилась оболочка, дополнительно подвергают шлифованию — многократному механическому воздействию рабочих органов шлифовальных машин на продукт путем интенсивного трения частиц друг о друга и о рабочие поверхности машины. При шлифовании с поверхности крупок удаляют частицы оболочки.
Значительное место в мукомольном производстве занимают процессы разделения продуктов измельчения зерна. Сначала их просеивают на рассевах и разделяют на несколько фракций, отличающихся крупностью частиц. Затем производят сортирование фракций по качеству, т.е. разделяют на частицы, состоящие из чистого эндосперма, и частицы в виде сростков эндосперма с оболочкой. Такую операцию называют обогащением крупок и дунстов (промежуточные по крупности продукты между крупой и мукой). Для обогащения применяются ситовеечные машины, сортирующие сыпучие смеси по геометрическим и аэродинамическим характеристикам частиц. В этих машинах для сортирования по геометрическим признакам (крупности) служат сита, а по аэродинамическим (главным образом, по парусности) — потоки воздуха [14].
Рисунок 4 - Технологическая схема сортового помола мягкой пшеницы
После сортирования крупки и дунсты подвергают дальнейшему измельчению на размольных вальцовых станках. Параметры рабочих органов станков и режимы их работы зависят от размеров измельчаемых частиц.
Прочность оболочки зерна значительно превышает прочность эндосперма, поэтому при сортовых помолах для разделения продуктов измельчения применяют ударные воздействия. Продукты размола дополнительно измельчают в быстровращающихся штифтовых и бичевых роторах энтолейторов и деташеров. На последних стадиях драного и размольного процессов осуществляют вымол в бичевых и щеточных машинах. В них исходный продукт подвергают удару и истиранию, в результате чего нарушаются молекулярные силы сцепления между эндоспермом и оболочкой. Происходит отделение эндосперма (в виде муки) от отрубянистых частиц при минимальном их дроблении.
Формирование готовой продукции — муки — по сортам осуществляется путем весового дозирования и смешивания продуктовых потоков с отдельных этапов технологического процесса. Продукцию упаковывают в транспортную тару—тканевые мешки или в потребительскую тару — бумажные пакеты [13].
Стадии технологического процесса.
Переработку хлебных злаков в муку можно разделить на следующие стадии:
• очистка зерна от примесей и выделение побочного продукта — кормовых зернопродуктов;
• обработка поверхности зерна сухим или мокрым способами;
• гидротермическая обработка (холодное или скоростное тепловое кондиционирование) зерна при сортовых помолах;
• драное (крупообразующее) измельчение зерна;
• шлифование крупных и средних крупок;
• размол продуктов крупообразования и шлифования;
• вымол сходовых продуктов крупообразования и размола;
• формирование и контроль готовой продукции.
?
1.4 Физико-химические свойства твердой пшеницы
Свойства зерна, как объекта переработки
Зерно как биологический объект — чрезвычайно сложное образование. Каждая его часть и все зерно в целом несут определенную информацию о способности дать продукцию заданного выхода и качества, о технологических приемах, необходимых для получения этой продукции, о режимных параметрах, при которых необходимо вести технологию. Так, по крупности зерна судят о содержании в зерне эндосперма и о возможном выходе продукции. По стекловидности и влажности — о преобладающем виде деформации при измельчении (пластическая или хрупкая) и о способности зерна к крупообразованию. По качеству клейковины — о режимных параметрах гидротермической обработки зерна при его подготовке к помолу.
Рисунок 5 - Строение зерна пшеницы
а – продольный разрез; б – часть поперечного разреза; 1 – бородка; 2, 3, 4 – оболочки (плодовая и семенная); 5 – алейроновый слой; 6 – мучнистое ядро (эндосперм); 7 – щиток; 8 – зачаточные листья; 9 – зародыш с зачатками корешка; 10 – зачаточный корешок.
Физические свойства зерна. Для оценки качества зерна важное значение имеют его физические признаки: форма, линейные размеры, выравненность, масса 1000 зерен и натура, удельная масса.
Зерно твердой пшеницы имеет удлиненно-овальную форму. К линейным размерам относят длину, ширину и толщину зерна.
При переработке выполненного зерна округлой формы получают больше муки, чем при переработке зерна, имеющего удлиненную форму и заостренные края.
Выравненность характеризует однородность массы зерна. По этому показателю оценивают мукомольные свойства зерна, которые определяют на наборе сит с круглыми или продолговатыми отверстиями. Чем больше в массе крупных и средних фракций (сход с сит 3,0?20 мм и 2,5?20 мм), зерно которых обладает более шаровидной формой по сравнению с мелкими фракциями, тем больше в нем эндосперма и меньше оболочек и тем больше будет выход муки.
Если содержание зерен крупной и средней фракции в зерновой партии составляет 85%, то зерно считают однородным или выравненным по крупности.
Выравненное зерно лучше очищается от примесей, так как можно более точно подобрать соответствующий размер отверстий сит для сепарирующих машин, размер и форму ячеек в триерах, скорость воздушного потока в аспирационных машинах, выбрать рабочие зазоры в измельчающих машинах.
Масса 1000 зерен (в пересчете на абсолютно сухое вещество) служит дополнительным показателем к линейным размерам, характеризующим крупность и выравненность зерна. Эти признаки очень изменчивы и зависят от сорта, почвенно-климатических условий, уровня агротехники, года урожая и др.
Натура. Это масса 1 л зерна, выраженная в граммах. На величину натуры влияют форма, характер поверхности и влажность зерна, его выравненность, характер и количество примесей.
В однородном по форме и качеству зерне чем выше натура, тем меньше содержится оболочек и больше эндосперма, следовательно, тем выше мукомольные свойства зерна.
Удельная масса зерна. Она зависит от химического состава и анатомического строения зерна. Удельная масса зерна пшеницы 1,33-1,48 г/см3.
Химический состав. В зерне пшеницы содержатся белки, углеводы, жиры, пигменты, витамины, ферменты и различные минеральные вещества [5].
Таблица 3 - Относительное содержание составных частей зерна
Название Содержание, %
Эндосперм 74,0-85,0
Оболочки плодовые 4,2-6,3
Семенные 3,1-4,8
Алейроновый слой 6,0-10,5
Зародыш 1,4-3,1
Белки пшеницы содержат около 20% альбумин6а и глобулина и 80% глиадин и глютенин от веса всех белков зерна. При добавлении воды глиадин и глютенин образуют клейковину.
Таблица 4 – Химический состав пшеницы твердого сорта
Анатомическая часть Белок Крахмал Клетчатка Липиды Сахар Зола
Эндосперм 12,91 78,82 0,15 0,68 3,54 0,45
Зародыш 41,30 - 2,46 15,04 25,12 6,32
Оболочки + алейроновый слой 28,75 - 16,20 7,78 4,18 10,51
Оболочки, алейроновый слой и зародыш содержат максимальное количество минеральных веществ: калий, магний, кальций, фосфор.
Мукомольные свойства зерна. Характеризуются следующими показателями:
• общим выходом муки и ее качеством;
• выходом и качеством муки высоких сортов;
• количеством извлеченных крупок и дунстов;
• степенью вымалываемости оболочек;
• расходом энергии на выработку 1 т муки.
Эти показатели напрямую зависят от свойств самого зерна – стекловидности, влажности, зольности, прочности, твердости, выравненности, объемной массы и др.
Мукомольные свойства зерна в значительной степени зависят от содержания эндосперма, количество которого в зерне пшеницы колеблется от 74 до 85%.
Мукомольные свойства зерна определяют опытными лабораторными помолами.
Стекловидность. Консистенция эндосперма, или его стекловидность, определяется при разрезании зерна – фаринотомом или просвечивании на диафоноскопе. Мучнистое зерно в разрезе имеет матовый оттенок, напоминающий мел, полустекловидное зерно – полупрозрачное, а стекловидное – прозрачное.
С повышением стекловидности зерна выход крупных фракций крупок возрастает. Поэтому стекловидность служит одним из показателей, определяющих мукомольные свойства зерна.
Стекловидное зерно вымалывается легче, чем мучнистое, и дает большой выход крупок.
