EXTRUDAREA TERMOPLASTICA IN INDUSTRIA ALIMENTARA

Extrudarea termoplastica a cunoscut o mare dezvoltare in ultima vreme, profilandu-se ca un ansamblu de operatii pentru obtinerea, in conditii economice,a produselor alimentare.

Extrudarea termoplastica consta in supunerea materiilor prime la presiuni si temperaturi bine definite dupa care acestea sunt trecute fortat printr-o filiera si decupate la anumite dimensiuni in momentul evacuarii

Utilizarea tehnicii de extrudare in diferitele ramuri ale industriei alimentare

a)Industria morarit-panificatie:se pot obtine fainuri instant,produse cerealiere pentru micul dejun,pufuleti,produse de tip snack,saleuri,etc.

b)Iindustria produselor zaharoase:decristalizarea zaharului,dezinfectarea macinaturii de cacao si pentru realizarea operatiei de consare(finisare)a masei de ciocolata.

c)Industria laptelui:transformarea cazeinei in cazeinati de Na,Ca,K.

d)Industria berii:obtinerea maltului brun.

e)Industria amidonului:obtinerea amidonului modificat sau a amidonului special.

f)Industria carnii:obtinerea derivatelor texturate pentru hrana animalelor.

In general un utilaj de extrudare cuprinde:malaxorul, extruderul propriu-zis si dispozitivul de taiere al produsului.

Fig. 1 Schema de principiu a unei instalatii de extrudare

Malaxorul este destinat amestecarii materiilor prime (grisuri, fainuri, aromatizanti, coloranti,etc.)si preconditionarea acestora prin tratare cu abur viu in sistem deschis (presiune atmosferica) si temperatura constanta.

Extruderul propriu-zis este format din corp, snec si filiera (cap de extrudare).

Corpul extruderului poate fi cilindric sau cilindroconic confectionat din sectoare care se pot usor asambla, fiind prevazute in manta de incalzire (cu aburi)si de racire cu apa.La interior peretii au practicate canale longitudinale in scopul maririi coeficientului de frecare si intensificarii amestecarii materialelor prelucrate.

Snecul de lucru de regula, prezinta trei sectiuni:

-sectiunea de alimentare,care are rol de a prelua si de a transporta materialul,asigurand omogenizarea amestecului si eliminarea aerului inclus;

-sectiunea de compresie(la presiunea joasa si medie)in care are loc o crestere a temperaturii favorizand gelatinizarea amidonului si coagularea proteinelor.

-sectiunea de presiune si temperatura maxima in care materialul este impins spre capul de extrudare.

Capul de extrudare este amplasat la extremitatea sectiunii de presiune si temperatura maxima. Forma orificiilor poate fi: cilindric, dreptunghiular si inelar.

Fig.2 Forma orificiilor capului de extrudare

Materialul la iesirea din extruder se expandeaza, presiunea scazand brusc,si se evapora si restul de apa aflata in material ceea ce produce o dilatare a straturilor cilindrice si concentrice ale acestuia.

Cutitul actionat electric decupeaza materialul la dimensiunile dorite.

Factorii care influenteaza prelucrarea materialului in extruder

Procesul de extrudare termoplastica este conditionat de factorii care sunt in stransa interdependenta si care se influenteaza reciproc.

a)Compozitia amestecului:sub 20% umiditate procesul de gelifiere a amidonului nu are loc,iar peste 25% umiditate are loc o crestere a presiunii in extruder datorita cresterii tensiunii de vapori,sau cresterea temperaturii,ceea ce produce o coagulare prematura a proteinelor si caramelizarea amestecului.Amestecul nu trebuie sa contina mai mult de 35-40% glucide.Continutul optim de proteine~50%.

b)Viteza de inaintare a materialului in extruder.

Se considera curgerea exclusiv liniara a materialului fluid nenewtonian,pe directia axei spirelor snecului.In ansamblu se poate considera o suprapunere a doua feluri de curgeri: una datorita impingerii materialului de catre snec in lungul spirelor cu un debit Q_a proportional cu turatia acestuia si o curgere datorata fluidului cu un debit Q_p.Pentru a se putea materialul este necesar ca:Q_a>Q_p,in caz contrar materialul este returnat in gura de alimentare.

Fig.4 Tipuri de curgeri la trecerea materialului prin extruder

In afara de curgerea longitudinala pe axa O_y exista si o curgere transversala pe axa O_x, precum si scaparile peste axa spirelor. Considerand geometria snecului constanta pe toata lungimea si corpul snecului apropiat de varful spirelor,in sectiunea de compresiune maxima,curgerea neta se poate calcula cu relatiile:

Q = Q_a + Q_p Q = G₁ n F_d + ,

Unde: n-turatia snecului;

F_d-factor de corectie al componentelor de inaintare a curgerii (F_d≈1);

F_p-factor de corectie al componentei de curgere inapoi (F_p≈1);

μ-vascozitatea newtoniana;

-caderea de presiune la evacuarea materialului din sectiunea de presiune inalta cu lungimea L

G₁ = ,

G₂ = ,

Unde:

D-diametrul interior al cilindrului

H-distanta dintre axa snecului si cilindrul de lucru

p-numarul de spire paralele

θ-unghiul format de spira cu verticala

e-grosimea spirei

Curgerea neta va fi deci o rezultanta a celor doua componente.

c)Presiunea si temperatura din extruder

In principalele trei sectiuni ale extruderului avem: presiune atmosferica in prima sectiune; presiune de ~80 bar in sectiunea de presiune medie si presiune de ~150 bar in sectiune spre capul de expandare.

Temperatura din extruder se asigura fie prin aport de energie calorica prin abur sub presiune fie prin energie electrica (efect Joule sau inductie magnetica) in camasa corpului snecului.

d)Durata de stationare a materialului in extruder este importanta pentru realizarea unui optim de temperatura.La o durata mica nu se realizeaza transformarea principalelor componente din amestec(amidon,proteine); la o durata prea mare temperatura inalta conduce la pierderea fluiditatii amestecului si blocarea extruderului.

Durata de stationare se poate regla prin schimbarea turatiei snecului, diametrul si in special a geometriei spirelor.

Viteza de curgere a materialului prin orificiile capului de extrudare este in functie de vascozitatea η.

Q_vp = ,

Unde:

K-constanta ce depinde de geometria orificiilor

Δp-diferenta de presiune din extruder si presiunea atmosferica

Rezistenta hidraulica a capului de extrudare va putea fi modificata prin:

-variatia sectiunii de evacuare(rezistenta este proportionala cu patratul sectiunii);

-variatia lungimii canalelor de evacuare(rezistenta este proportionala cu lungimea)

Parametrii optimi pentru extrudare sunt caracteristici pentru fiecare tip de amestec; principalii parametrii care pot fi controlati sunt presiunea, temperatura si hidratarea si caracteristicile constructive ale extruderului: pasul melcului,adancimea spirei,turatia, snecului si forma capului.

Tipuri de extrudare

a)extruderi simple de tip monosurub folosite pentru obtinerea de produse tip saleuri,etc. Ele pot fi utilizate si ca pregelificatoare, dupa decupare, produsele putand fi expandate intr-un cuptor-tunel sau intr-un prajitor.

b)extrudere cu dublu etaj, primul etaj fiind folosit pentru pretratamentului termic al amestecului, iar al doilea pentru extrudarea propriu-zisa si formarea.Se folosesc pentru obtinerea pufuletilor, snackurilor,etc.

c)extruderi speciale pentru texturizarea amestecurilor proteice.

d)extrudere pentru produse moi(obtinerea de alimente pentru animale)

e)extrudere pentru cereale si fainuri.

Alte tehnologii de extrudare:

extrudarea sub forma de filme,cu incalzire pe ambele fete;

extrudarea la temperaturi negative;

extrudarea dubla amaterialului.