021-44614691

جنبه های مهندسی اکستروژن

 

دو دسته فاکتور وجود دارند که در فرایند پخت اکستروژن نقش کلیدی دارند: فاکتورهایی که به نوع مواد فراوری شده بستگی دارند و فاکتورهایی که از مشخصات فنی و عملیاتی اکستروژن استخراج می­گردد. مهمترین فاکتورها در دسته اول رطوبت، ویسکوزیته و ترکیب شیمیایی مواد خام هستند. در دسته دوم نسبت تراکم و چیدمان مارپیچ، سرعت دورانی مارپیچ، دمای فرایند و دامنه تغییرات فشار اعمالی به برل مهمترین فاکتورها هستند. فاکتورهای قابل تنظیم عبارتند از شدت جریان، دمای فرایند و اندازه سوراخ­های قالب. همه این فاکتورها دارای همبستگی مثبت با یکدیگر بوده و اثرات مهم روی کیفیت محصول اکستروژن دارند. 

 نویسنده: محمد اکبر

 

 

 

فصل 1: جریان جرمی و توزیع دما در اکسترودرهای تک محور

1-1- تئوری جریان جرمی و توزیع دما

برای فهمیدن مکانیزم اختلاط، نرخ جریان، توزیع فشار و غیره لازم است که ابتدا نوع جریان در برل مشخص گردد. مشکل اصلی در توصیف الگوی جریان در داخل اکسترودر این است که جریان در قسمت تراکم و metering غیر نیوتونی و غیر هم­دماست. مهمترین ساده سازی­های انجام گرفته، فرض پایدار بودن، ناچیز بودن نیروهای اینرسی و گرانشی و جریان کاملا شکل گرفته سیال تراکم پذیر است.

 

همانطور که به آن اشاره شد، هنگام پخت اکستروژن سبزیجات، مواد فراوری شده شبیه سیال غیر نیوتونی رفتار می­کنند. دلیل اصلی این امر فرار بودن ویژگی­های رئولوژیکی ماده فراوری شده می­باشد که به نوبه خود به وضعیت تراکم ماده و میزان تغییرات فیزیکی و شیمیایی در فرایند وابسته است. بنابراین فقط با داشتن اطلاعات جامع از ماده در حال اکستروژن می­توان آن را به درستی مدل نمود.

1-2- توزیع زمان حضور ماده در اکسترودر

در هنگام توصیف اکستروژن، بیان این مسئله که مواد برای چه مدت در اکسترودر حضور دارند از اهمیت بالایی برخوردار است. بر اساس این توزیع زمان، بیان میزان اختلاط مواد، انتظار از میزان خمیری شدن و میزان همگن شدن مواد حین تغییر شکل در فرایند اکستروژن قابل توضیح است. زمان حضور ماده به طور ویژه وابسته به نحوه توزیع سرعت در دستگاه و طول مارپیچ است. اگرچه محاسبه زمان حضور ماده در یک بخش خاص دستگاه از روی سرعت جریان ممکن است اما نتایج تجربی هستند که بهترین پاسخ را در اختیار ما می­گذارند.

 

فصل 2: تعادل انرژی

یک دیدگاه عمومی وجود دارد که تکنیک اکستروژن یک تکنیک بسیار پرمصرف است. با این حال تحقیقات این موضوع را تایید نمی­کند به خصوص در مقایسه با سایر عملیات­های حرارتی که روی سبزیجات انجام می­شود.

دوران مارپیچ ورود انرژی مکانیکی را میسر می­نماید. بوسیله اتلاف ویسکوز، بیشتر این انرژی به گرما تبدیل می­شود اما مقداری از آن هم صرف افزایش فشار مواد داخل برل و افزایش انرژی جنبشی آن می­شود

در تئوری اکستروژن اغلب از اصطلاح انرژی مکانیکی مخصوص (SME) استفاده می­گردد که انرژی مصرف شده بر واحد جرم ماده فراوری شده می­باشد.

تحلیل انرژی مارپیچ اکسترودر در رابطه با تبدیل انرژی مکانیکی به حرارت در کانال­های مارپیچ و گپ بین مارپیچ و برل حایز اهمیت است. در حین فرایند اکستروژن، این انرژی عمدتا از طریق اتلاف به حرارت تبدیل شده و باعث تغییرات دما، خواص شیمیایی و احتمالا فاز مواد می­گردد. ممکن است این انرژی برای انجام فرایند کافی نباشد که در اینصورت از خارج به دستگاه گرما داده می­شود. اضافه کردن مستقیم بخار به مواد نیز به منظور افزایش دما و رطوبت مواد استفاده می­شود.

 همچنین مقدار مشخصی از گرمای تولید شده انرژی آزاد شده از واکنش شیمیایی است.

 

فصل 3: انتقال حرارت و جرم در اکسترودر دوقلو

به طور کلی دو نوع اکسترودر وجود دارد: تک محور و دومحور. نوع دوم به دو دسته همجهت و غیر هم جهت تقسیم می­گردد. اکسترودرهای دو محور غیر هم­جهت مانند پمپ جابجایی مثبت عمل می­کنند. این نوع اکسترودر میزان اختلاط مواد و همچنین میزان نشتی در اثر افزایش فشار را کاهش می­دهد. در اکسترودرهای دو محور هم جهت، مواد به طور پیوسته از یک مارپیچ به مارپیچ دیگر منتقل می­گردند. مکانیزم جریان را می­توان به صورت ترکیبی از جریان درگ و جابجایی مثبت در اثر فشار روبه جلوی مارپیچ­ها توصیف نمود. اکسترودرهای هم جهت معمولا در سرعت­های بالاتری نیز (300 تا 600 درو بر دقیقه) کار می­کنند. اگرچه مارپیچ­هایی که اخیر ساخته می­شوند به صورت ماژولار بوده و دارای قسمتهای مختلف با هندسه­های مختلف می­باشند، اما معمولا به سه قسمت از نظر عملکرد تقسیم می­شوند:

  • قسمت تغذیه که کار انتقال مواد به قسمت­های جلویی مارپیچ را برعهده دارد.
  • قسمت تراکم که ماده داغ و فراوری شده و به شکل خمیری در می­آید.
  •  قسمت سنجش که وظیفه انتقال مواد به درون قالب را بر عهده دارد.

3-1- انتقال حرارت

مشکل اصلی در مدلسازی انتقال حرارت در اکسترودرهای غذایی، لزوم در نظر گرفتن همه متغیرها در یک تحلیل جامع است. این امر به خاطر نیاز به حجم محاسبات فراوان غیر ممکن به نظر میرسد با این حال می­توان تحت شرایط خاص از برخی متغیرهای غیر مهم در آن شرایط چشم­پوشی نمود. به عبارت دیگر می­توان با ایجاد برخی فروض در یک وضعیت، حل معادلات را برای آن وضعیت آسان نمود.

اغلب مواد غذایی به عنوان سیال غیر نیوتونی رفتار می­کنند. مدل­هایی وجود دارد که فهم خوبی از رفتار این مواد به دست می­دهد.

برای ضریب انتقال حرارت دو مکانیزم باید از یکدیگر جدا شوند . انتقال حرارت در برل و انتقال حرارت در مارپیچ. در برل، دنده­های در حال دوران مارپیچ سطح برل را جاروب کرده و مواد تازه در هر دور به آن می­چسبد. گرمای منتقل شده از طریق رسانش به آن لایه، با کندن آن به صورت همگن در مواد موجود در کانال پخش می­شود.

 

بررسی دو ضریب انتقال حرارت نشان می­دهد که در فرایندهای اکستروژن غذایی، انتقال حرارت روی دیواره برل مهمتر از سطح مارپیچ می­باشد. هرچند که باید یک استثناء مهم قایل شد. سطح برل کاملا تمیز فرض می­شود. اما در واقع در گپ موجود بین مارپیچ و دیواره برل لایه نازکی از مواد قرار می­گیرد که مانند عایق حرارتی عمل می­کند و می­تواند انتقال حرارت را کاهش دهد.

3-2- مدل یاکو

یاکو اکسترودر دو محوره را به سه قسمت اصلی تقسیم­بندی کرد: ناحیه انتقال ماده صلب، ناحیه پمپ ماده ذوب شده و ناحیه برشی ماده ذوب شده. پروفیل دما و فشار به طور مجزا برای هر قسمت پیش بینی شده است. فرضیات زیر در مدل یاکو اعمال گردیده است:

·رئولوژی ماده مذاب با یک مدل ویسکوزیته غیر نیوتونی و غیر همدما توصیف می­گردد که اثر رطوبت و چربی را لحاظ می­کند. همچنین اکسترودر در شرایط پایسته کار می­کند.

·         رفتار پایسته و شرایط یکنواخت برقرار است.

·         جریان مذاب به شدت لزج بوده و در رژیم جریان لمینار قرار دارد.

·         اثرات جاذبه ناچیز فرض شده­اند. 

·         مارپیچ آدیاباتیک فرض شده است.

·         درجه پخت در سرتاسر سطح مقطع یکسان فرض 

 

3-2-1- ناحیه انتقال ماده صلب

اکسترودرهای دو محوره اغلب در شرایط تغذیه نامناسب کار می­کنند و میزان ورودی توسط واحد تغذیه، سرعت و گشتاور مارپیچ کنترل می­گردد. بنابراین مارپیچ در قسمت تغذیه به صورت نیمه کامل پر شده و فشاری ایجاد نمی­گردد. به این خاطر این مسئله، توزیع انرژی مکانیکی ناچیز می­باشد. حرارت از طریق رسانش از برل به مواد منتقل می­گردد.

3-2-2-  ناحیه پمپ ماده ذوب

در این ناحیه فرض می­شود تغیر شکل ماده از پودر جامد به خمیر سیال به صورت ناگهانی اتفاق می­افتد. این اعتقاد وجود دارد که انرژی در کانال­ها از طریق نشت جریان در گپ­های موجود هدر می­رود.

یکی از فرضیات موجود در مدل یاکو این است که وقتی ماده وارد ناحیه پمپ مذاب می­شود، مارپیچ از ماده پر می­شود. در این محاسبات ماده تحت تنش برشی کامل قرار می­گیرد. با این وجود همانطور که در ابتدا گفته شد بیشتر اکسترودرهای دو محوره به صورت کامل پر نمی­شوند.

3-2-3-  زویلیکم

ویژگی منحصر به فرد مدل تدوین یافته توسط زوئیلیکم این است که این مدل کل گرمای منتقل شده برای هر نقطه در امتداد محور مارپیچ در اکسترودر را محاسبه می­کند. این مدل که حاصل چندین مقاله است از دو قسمت اصلی تشکیل شده است. قسمت اول گرمای منتقل شده از برل به اکسترودر را حساب می­کند. قسمت دوم گرمای تولید شده بوسیله اتلاف ویسکوز را محاسبه می­کند. فرضیات زیر در مدل اعمال گردیده ­اند:

  • پارامترهای ورودی عبارتند از: پروفیل دمای داخل برل،  گشتاور، جریان تغذیه
  • گشتاور تبدیل به فشار، انرژی تبدیل فاز و افزایش دما می­گردد.

           الف) گشتاور و انتقال همرفت گرما به صورت خطی تابع درجه پر شدن هستند

         ب) تغییرات ویسکوزیته ماده مطابق مدل توانی سیال غیر نیوتونی و وابسته به دما و زمان می­باشد.

         پ) انرژی مورد نیاز برای خمیری کردن مواد در مقایسه با انرژی لازم برای افزایش دمای مواد قابل چشم پوشی می­باشد.

         ت) ماده مذاب به شدت لزج بوده و دارای جریان لمینار می­باشد.

           ث) فقط جریان کلی در راستای محور مارپیچ در نظر گرفته شده است.

 

بر این اساس یک مدل کامپیوتری طراحی شده است که بر اساس رویه زیر پارامترهای مربوط به مواد و فرایند را دریافت و مدل زوئیلیکم را اجرا می­کند:

  • متغیرهای ماده:  ویسکوزیته اولیه، دمای ذوب، چگالی و رطوبت محتوا
  •  متغیرهای سیستم: نرخ مواد ورودی، دمای اولیه ماده، طول اکسترودر، هندسه مارپیچ و پروفیل دما

      وظیفه بسیاری از عملیات­ها در پخت اکستروژن پلی ساکاریدها، شکستن ذرات و خمیری کردن مواد آنها تا حد مشخص برای کاربردهای گوناگون در تولید غذای انسان و حیوان می­باشد. تغییرات قابل توجهی به خاطر شکست و تشکیل پیوندهای ژله­ای در رئولوژی این مواد حین فرایند رخ می­دهد. این تغییرات می­تواند بر پارامترهای فراوری و معیارهای پایداری موثر باشند. زوئیلیکم یک فرمول مخصوص کاربرد در تکنولوژی غذایی ارائه دادند. از این متد در مدل زوئیلیکم استفاده شده و تاثیر مکانیزم تشکیل و شکست حالت خمیری و ژله­ای را بر ویسکوزیته به عنوان تابعی از نرخ برشی و میزان رطوبت و چربی توصیف می­کند. او یک رفتار توانی را با یک رفتار مستقل از دما و یک ترم اضافه را برای توصیف تشکیل شبکه وابسته به انرژی فعالسازی و زمان حضور، با یکدیگر ترکیب نمود.

 

نویسنده: یاسر سلیمی