Анализ аппаратурно-технологических систем производства шоколадных масс

В классической технологической схеме производства шоколадных масс ведущее место занимают процессы измельчения (рисунок 1.2): какао-бобы после термической обработки дро­бятся до какао-крупки; какао-крупка подвергается дополнительному измельчению результате чего превращается в какао-тертое; сахарный песок измельчается до сахарной пудры; какао-тертое и сахарная пудра, согласно рецепту­ре, смешиваются, и смесь подверга­ется дополнитель­ному тонкому измельчению.

Согласно данным Niediek [223,224], предварительное измельчение рецептурных компонентов и их последующее тонкое диспергирование необходимо рассматривать как ступень в общем процессе, цель которого уменьшение величин частиц до заданного размера - стандартизированной степени измельчения.Следует отметить, что многостадийность процесса измельчения вызвана различными реологическими свойствами рецептурных компонентов - сахара и какао и отсутствием оборудования, позволяющего сов­мещать стадии крупного, среднего и тонкого измельчения в одном аппарате. Inglenton [215] и Fincke [217] указывают, что поскольку сахар представляет собой хрупкий материал, то рациональным способом для его диспергирования является удар.

Пластичное какао эффективнее измельчить истирающими нагрузками в сочетании с сжатием. Результаты исследований прочности частиц сахара и какао при динамическом и статическом нагружениях, подтверждающие данные о рациональных способах измельчения рецептурных компонентов шоколадных масс, представлены на рисунках 1.3, 1.4 и 1.5. Анализ зависимостисвидетельствует, что правильный выбор способа измельчения позво­ляет подучить продукт более высокого качества и сократить затраты энергии на переработку сырья в готовую продукцию.

Поэтому в технологии шоколадного производства практическое применение подучили только два основных вида измельчения: при помощи одной поверхности твердого тела (методом удара) и при помощи двух поверх­ностей твердого тела между валками, дисками или шарами (методом удара, сжатия и истирания). Эти способы дисперги­рования осуществляются в аппаратах различных типов: дезинтеграторных, дисковых, дифференциальных, шариковых, восьми и пятивалковых мель­ницах и др. [1, 127, 128,129,135,145,146,183,184].

Применяемые в настоящее время в шоколадном производстве основные типы мельниц и технологический эффект диспергирования на них рецептурных компонентов и шоколадных масс представлены в таблицах 1.1, 1.2 и 1.3.

Данные таблиц 1.1, 1.2 и 1.3 свидетельствуют, что ни одна из мельниц не позволяет получить продукт с необходимым для приготовления шоколадных масс фракционным составом, то есть в диапазоне дисперсности от 10 до 30 мкм. После смешивания полидисперсных систем сахарной пудры и какао-тертого степень измельчения полученной смеси не превышает 60-70 %, что вызывает необходимость дополнительного тонкого измельчения [125].

Многостадийность операции диспергирования, осуществляемая с целью получения продукта с регламентированной стандартом степенью измельчения, приводит к переизмельчению материала и перераспределению его гранулометрического состава в область мелкодисперсных фракций. На долю "вредных" фракций с размером частиц менее 10 мкм приходится 67-74 %, что вызывает рост вязкости шоколадных масс и нарушает условия дальнейших технологических операций в производст­ве шоколадных изделий. Снижение вязкости до регламентированных значений за счет добавления какао-масла увеличивает себестоимость готового продукта и приводит к нерациональному расходу импортного сырья – какао бобов.

Рисунок 1.2 - Основные операции технологического процесса производства шоколадных масс и шоколада

Рисунок 1.3 - Зависимость энергии начала разрушения частиц сахара (с) и какао (к) разных диаметров размольным элементом сферической формы диаметром d=6 мм (динамическое сжатие)

Рисунок 1.4 - Зависимость раздавливающего усилия Р, создаваемого размольными элементами сферической формы с диаметрами d=2,4…12 мм и плоским наконечником от размера частиц какао

Таблица 1.1 -Фракционный состав сахарной пудры в зависимости от вида измельченного оборудования

Размер фракции, мкм	Доля частиц ( % ) сахарной пудры, полученной на измельчающем оборудовании
Микро­мельница типа ЕНД 9115	Дезинтеграторы	Установка марки ШСХ при частоте вращения роторе классификатора:
«Рекорд» (ГДР)	Конст­рукции КТБ МПП ЭСОР
n=380 об/мин	n= 470 об/мин
630-100	17.5	22,2	0.1	-	-
100- 30	50,1	44,7	40,0	34,0	25,9
30- 10	22,4	23,5	40,8	45,2	40,3
менее 10	10,0	9,6	19,1	20,8	33,8

Рисунок 1.5 - Зависимость раздавливающего усилия Р, создаваемого размольными элементами сферической формы с диаметрами d=2,4…12 мм и плоским наконечником от размера частиц сахара

Необходимо отметить, что в настоящее время основным оборудованием для тонкого диспергирования шоколадных масс в классической технологической схеме производства шоколада являются пятивалковые мельницы, выпускаемые зарубежными фирмами Bauermeister, Buhler, Carle Моntari и др. В этих устройствах шоколаднаямасса под действием валков, вращающихся в противоположные стороны с различными скоростями, раздавливается, вальцуется в тонкую пленку и подвергается истиранию в малых регулируемых зазорах. С технической и технологической точек зрения пятивалковые мельницы имеют небольшую производительность (200-500 кг/ч) и высокую энергоемкость (125 кВт.ч/т), практически не дают возможность создать автоматическую систему управления процессом приготовления шоколадных масс, а также не позволяют получить продукт в оптимальном диапазоне дисперсности твердой фазы, что в совокупности не отвечает современным условиям производства и требует поиска нового прогрессивного оборудования.

Таблица 1.2 -Фракционный состав какао тертого в зависимости от вида измельчающего оборудования

Размер фракций, мкм	Доля частиц ( % ) какао тертого, полученного на измельчающем оборудовании
Ударно- штифтовая мельница фирмы Shonenberger	Восьмивал ковая мель ница 913	Комбинирован­ная мельница МДН-400 в комплекте с 3-х валковой мельницей	Дифференциаль­ная мельница 306 в комплекте с шариковой мельницей 292 В
400-100	6,2	7.1	4,7,	2,3
100-30	12,3	14,5	9,7	9,6
30-10	18,8	27,4	19,9	20,6
менее 10	62,7	51,0	65,7	67,5

Поэтому за рубежом и у нас в стране предпри­нимаются попытки заменить пятивалковые мельницы другим видом измельчающего оборудования, в частности шариковыми мельницами [210].

Так, фирмой Wiener (Голландия) [165] разработана установка для приготовления шоколадных масс, в которой измельчающим устройством является аттритор (шариковая мельница). Аттритор является измельчающим устройством с постоянно кинетически активизированными шариками при помощи расположенной в средней части подвижной мешалки. Шоколадная масса, проходя снизу вверх мельницы подвергается непрерывному воздействию шариков в виде ударных импульсов и истирающих нагрузок, что способствует ее измельчению.

Таблица 1.3 -Фракционный состав шоколадных масс, полученных различными способами

Размер	Доля частиц (%) шоколадной массы, полученной:
фракции, мкм	На установке фирмы Wiener с использованием шариковой мельницы	На установке конструкции ПКБ МПП Литвы с использованием шариковой мельницы	Классическим способом с использованием пятивалковой мельницы
63-30	2,0	2,8	2,8
30-10	24 ,2	25,2	29,5
менее 10	73.8	72,0	67.7
степень измельчения, %	98,0	97,8	97,8

Принцип работ установки заключается в том, что в процессе циркуляции рецептурной смеси по замкнутому контуру "коншмашина-аттритор-вкусопреобразователь" происходит ее измельчение, гомогенизация и квитирование (дополнительная механическая обработка десертных сортов шоколада в отделочных машинах). Данный способ предусматривает использование сахарного песка вместо сахарной пудры.

В установке [162,210] процесс измельчения и гомогенизации шоколадных масс происходит непрерывно за один рабочий цикл. Все компоненты (сахарная пудра, какао-тертое, соевый концентрат), согласно рецептуре, смешивают до однородной консистенции и подают для измельчения в шариковую мельницу. Такие установки смонтированы на Каунасской кондитерской фабрике и Вильнюсской фабрике "Пяргале" и позволяют получить более гомогенную массу.

Приведенные в работах [162, 168] данные показывают, что при­менение шариковых мельниц несколько интенсифицирует классический способ производства, однако, не приводит к заметным изменениям дисперсности твердой фазы шоколадных масс (см.табл. 1.3).

Одним из основных направлений повышения эффективности шоколадного производства является совершенствование классической технологической схемы приготовления шоколадных месс за счет совмещения или сокращения многочисленных стадий диспергирования и создания новых способов переработки какао-продуктов..

Так, Ермаковой и др. [154, 155] предложен способ получения шоколадных масс с использованием струйной мельницы. Способ включает совместное смешение и измельчение рецептурных компонентов в струях газа-энергоносителя, направленных навстречу друг другу, а также классификацию частиц с помощью аппарата - классификатора. Струйный способ измельчения позволяет сократить число стадий диспергирования и осуществить регулирование дисперсности массы за счет изменения давления газа - энергоносителя. Это способствует получению продукта с содержанием фракций размером 1-5 мкм - 25 - 30 % от общей массы шоколадных компонентов.

Способ Мозимана (Германия) [215] также предусматривает проведение тонкого измельчения рецептурных компонентов (сахарного песка, какао-порошка и др.) в струйной мельнице, исключаяиз технологической цепочки процесс вальцевания.

Вакриловым [136] разработана технологическая схема производ­ства шоколадных масс, которая объединяет стадии первичной переработки какао бобов и получение шоколадных масс. Какао-крупка измельчается последовательно на дисковой и шариковой мельницах до какао-тертого. Схема предусматривает получение шоколадной массы из сахарного песка, исключая процесс его предварительного диспергирования до сахарной пудры.

"Английский" способ [226, 227] отличается от классической техноло­гической схемы тем, что измельчение рецептурных компонентов до необходимого размера осуществляется не в смеси на пятивалковой мельнице, а раздельно: сахарный песок на мельнице ударного действия, а какао-крупка - на триковой мельнице. Исключение пятивалковой мельницы позволяет получить более ровный гранулометрический состав шоколадной массы.

В настоящее время увеличилось количество научно-технических предложений, в которых для интенсификации процессов измельчения шоко­ладных масс применяются эффект электромагнетизма [26,27,28,34,43,57,71,90,115].Так, в устройстве для приготовления шоколадных масс, предложенным Шламасом, Стривинкасом и др. [110], магнитное поле в рабочем объеме шариковой мельницы, создаваемое постоянными магнитами, расположенными на корпусе устройства и на разгонных дисках внутреннего вала, способствует, во-первых, сбрасыванию размольных шаров (ферромагнитных и неферромагнитных) с дисков с различной скоростью, что создает возможность их соударения сразу после сообщения им скорости, в во-вторых, повышает силу соударения шариковых тел за счет уве­личения разницы скоростей между ферромагнитными и неферромагнитными шарами. Это приводит к увеличению объема зон внутри рабочего цилинд­ра, в котором происходит измельчение, что позволяет увеличивать производительность установки.

В устройстве для приготовления шоколадных масс [125,126], выполненные на корпусе шариковой мельницы постоянные магниты, удерживаютшариковые ферротела в зонах наибольшего измельчения и препятствуют вовлечению размольных элементов в совместное круговое движение, что увеличивает как силу, так и число производственных контактов между этими элементами и измельчаемым продуктом, усиливает истирающий эффект и повышает интенсивность обработки. В устройстве для мокрого измельчения продуктов [125] использовано постоянное управляемое магнитное поле для регулирования величины зазора между измельчающим массу рабочими элементами (роликами и кольцами), что способствует выравниванию гранулометрического состава готового продукта.

Таким образом, анализ научно-технических материалов в области измельчения показал, что задача интенсификации процесса измельчения и улучшения качества диспергируемого продукта (в частности, шоколадных полуфабрикатов), не может быть решена на имеющемся механическом традиционном оборудовании. Исследуя процесс измельчения шоколадных масс, ученые приходят к выводу о необходимости разработки новых энергонапряженных и автоматизируемых способов организации измельчающего усилия и устройств их реализующих, с помощью которых можно осуществлять высокочастотное ударно-истирающее воздействие по частицам обрабатываемого продукта [156,161,164,165,171,172,175]. Значительный ряд исследователей [115,126,134] утверждают, что наиболее пер­спективными способами измельчения являются способы диспергирования продуктов в смеси с мелющими телами при высоких скоростях соударений, которые реализуются в энергонапряженных измельчающих устройствах, использующих для создания измельчающего усилия эффекты электромагнетизма.

В нестоящее время на современных химических, металлургических, строительных и мукомольных производствах получили распространение устройства, в которых для ускорения процессов измельчения продуктов и его перемешивания используются переменные (вращающееся, пульсирующее и др.) магнитные поля, воздействующие на ферромагнитные размольные элементы (шары, цилиндры, ролики различных размеров), размещенные в рабочей камере вместе с обрабатываемым продуктом. К таким аппаратам относятся электромагнитные измельчители (ЭМИ), вихревые электромагнитные аппараты (ВЭА) и электромагнитные измельчающие устройства постоянного тока (ЭММА) [3,69,74,83,90,93,94,126,138,156,171,175,176,180,188].

Электромагнитные мельницы представляют собой новый прогрес­сивный тип технологического оборудования для измельчения и выгодно отличаются от других видов измельчающих устройств, как по энергетическими конструктивным показателям, так и по технологическому эффекту измельчения. Дальнейшее развитие этого направ­ления позволит значительно интенсифицировать процесс измельчения продуктов различного целевого назначения, в том числе и полуфабрикатов шоколадного производства.