Ingineria Proceselor Tehnologice - Uleiul de Soia [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA BACĂU FACULTATEA DE INGINEIE SECŢIA T.C.C.P.A.

PROIECT INGINERIA PROCESELOR TEHNOLOGICE

2005

CUPRINS : INTRODUCERE Cap 1 – MATERII PRIME ŞI AUXILIARE 1.1 Soia – materie primă utilizată la obţinerea uleiului de soia 1.1.1 Structura seminţei oleaginoase 1.1.2 Compoziţia chimică a seminţei de soia 1.2 Apa 1.3 Benzina de extracţie Cap 2 – ULEIUL DE SOIA – PRODUS FINIT Cap 3 – ELEMENTE DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ 3.1 Schema tehnologică 3.2 Principalele operaţii la care este supusă materia primă în vederea obţinerii uleiului de soia 3.2.1 Pregătirea materiei prime pentru prelucrare 3.2.2 Prăjirea măcinăturii 3.2.2 Presarea măcinăturii 3.2.4 Extracţia cu solvenţi 3.2.5 Rafinarea uleiului brut Cap 4 – BILANŢUL DE MATERIALE ŞI BILANŢUL TERMIC 4.1 Bilanţul de materiale 4.1.1 Bilanţul de materiale global 4.1.2 Bilanţul de materiale al prăjitoarei 4.1.3 Bilanţul de materiale al presei 4.1.4 Bilanţul de materiale al extractorului 4.2 Bilanţul termic 4.2.1 Bilanţul termic al prăjitoarei Cap 5 – DIMENSIONAREA PRINCIPALELOR UTILAJE 5.1 Dimensionarea prăjitoarei 5.1.1 Noţiuni teoretice 5.1.2 Calculul vitezelor care asigură domeniul de fluidizare 5.1.3 Dimensionarea prăjitoarei în strat fluidizat 5.2 Dimensionarea presei 5.2.1 Noţiuni teoretice 5.2.2 Dimensionarea presei mecanice 5.3 Dimensionarea extractorului 5.3.1 Noţiuni teoretice 5.3.2 Caracteristici tehnice ale extractorului De Smet BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE În cadrul industriei alimentare, sectorul uleiurilor vegetale şi al produselor pe bază de uleiuri şi grăsimi ocupă un loc important prin faptul că furnizează populaţiei produse de primă necesitate (uleiuri comestibile, margarine, maioneze, grăsimi), iar industriei de săpun, lacuri şi vopsele, materii prime ca acizi graşi de rafinare, uleiuri şi grăsimi tehnice. Cu ani în urmă, uleiul se folosea pentru ardere şi drept lubrifiant pentru piesele mecanice în mişcare. Uleiurile vegetale sunt amestecuri naturale complexe de substanţe din grupa lipidelor formate din: - lipide simple, în care se includ: gliceridele şi cerurile; - lipide compuse, în care se includ: fosfatidele, cerebrozidele şi sulfolipidele; - substanţe rezultate prin hidroliza lipidelor simple sau compuse, în care se includ: acizi graşi, alcooli şi steroli, carotenoide, vitamine liposolubile (D, E, K). Gliceridele sau grăsimile neutre constituie principalul component, reprezentând 97,5 – 99% din materiile grase vegetale, în timp ce celelalte categorii de lipide constituie substanţe de însoţire a gliceridelor. Materiile prime utilizate la fabricarea uleiurilor vegetale comestibile sunt numeroase. În condiţiile de climă temperată ale ţării noastre se cultivă şi se prelucrează industrial: floarea soarelui, soia, rapiţa, camelina. Dintre culturile oleaginoase specifice ţărilor cu climă caldă, prezintă interes arahidele şi susanul pentru care se fac încercări de aclimatizare. În industria uleiurilor se prelucrează, de asemenea, unele subproduse din care pot fi extrase uleiuri alimentare ca: germeni de porumb şi seminţe de dovleac. Alte produse care se valorifică în prezent numai sporadic, dar ar putea intra în viitor în prelucrarea curentă, sunt tărâţele de orez şi seminţele de roşii. Din punct de vedere al alimentaţiei, uleiurile vegetale sunt preferate grăsimilor animale datorită faptului că: - sunt mai uşor asimilabile (predomină acizii graşi nesaturaţi faţă de cei saturaţi); - sunt superioare din punct de vedere nutriţional (prin conţinutul în acizi graşi polinesaturaţi); - sunt mai puţin colesterolemiante pentru organismul uman;

- sunt mai pretabile la realizarea unor produse alimentare (maioneze, sosuri, dressing-uri, etc.). În alimentaţie, uleiurile şi grăsimile vegetale sunt folosite ca atare sau sub formă hidrogenată şi margarine pentru gătit, la fabricarea maionezelor, a conservelor (de carne, peşte, vegetale) în ulei, precum şi la prepararea unor produse de patiserie (biscuiţi, creme) sau a unor produse zaharoase. În cadrul acestui proiect s-a urmărit în principal prezentarea tehnologiei de fabricaţie a uleiului din soia precum şi precizarea utilajelor folosite în cadrul proceselor realizate în vederea obţinerii prousului finit. Proiectul este structurat pe capitole astfel: - capitolul 1 – cuprinde noţiuni teoretice despre materia primă şi materiile auxiliare utilizate; - capitolul 2 – cuprinde noţiuni teoretice despre produsul finit; - capitolul 3 – cuprinde elemente de inginerie tehnologică: schema tehnologică şi descrierea principalelor operaţii realizate în vederea obţinerii produsului finit; - capitolul 4 – cuprinde bilanţul de materiale şi bilanţul termic pentru principalele utilaje descrise şi dimensionate în cadrul proiectului; - capitolul 5 – cuprinde dimensionarea principalelor utilaje. Proiectul a fost realizat astfel încât să se obţină 10 t ulei/h într-o instalaţie ce funcţionează în regim continuu.

Capitolul 1 MATERII PRIME ŞI AUXILIARE 1.1 Soia – materie primă utilizată la obţinerea uleiului de soia Numărul materiilor prime pentru industria uleiurilor este foarte mare şi variat. În regnul vegetal, din peste 100 de plante oleaginoase, în prezent pe piaţa mondială sunt evidenţiate circa 40, grupate în 14 familii botanice mai importante, soia făcând parte din familia leguminoaselor. Soia este cultivată pentru seminţe, fiind cunoscută pe plan mondial de peste 5000 de ani, însă în România s-a început cultivarea ei doar în al treilea deceniu al secolului XX. De asemenea este cultivată datorită calităţii sale excepţionale atât ca sursă de proteină de calitate superioară cât şi ca furnizoare de însemnate cantităţi de ulei comestibil. Soia este una din culturile agricole cu calităţi deosebite, care a fost redescoperită şi utilizată pe scară largă abia în ultimele decenii. La început scopul principal al acestei culturi l-a constituit producţia de ulei şi grăsimi vegetale, precum şi ca plantă furajeră. În prezent cultura de soia este de o importanţă deosebită deoarece din soia se extrage peste 2/3 din producţia mondială de făinuri proteice, situându-se pe primul loc în producţia de grăsimi vegetale cu o participare de peste 30%. Fructul plantei este o păstaie cu 3-5 seminţe, bobul având compoziţia chimică, pe părţi componente, dată în tabelul 1. 1.1.1 Structura seminţei oleaginoase Uleiurile vegetale se găsesc în natură în ţesutul plantelor, fiind concentrate în seminţe. Seminţele separate de planta-mamă reprezintă germenele unei viitoare plante. În timpul formării şi maturizării seminţelor oleaginoase, în celule are loc o acumulare de substanţe hrănitoare (grăsimi, albumine, hidraţi de carbon, compuşi cu fosfor şi alte substanţe), care au rolul de a asigura germenului funcţiile vitale, până când acesta devine capabil să-şi asigure singur hrana minerală din sol şi din aer. Prezenţa acestor substanţe hrănitoare într-o măsură mai mare sau mai mică determină valoarea seminţelor oleaginoase ca materie primă pentru obţinerea uleiului vegetal.

Sămânţa matură este formată din miez şi coajă. Miezul seminţei este format din embrion (compus din gemulă şi două cotiledoane) şi dintr-un strat hrănitor numit endosperm. În cotiledoane şi în endosperm se găsesc rezervele de bază în substanţehrănitoare, respectiv în ulei, proporţiile variind în funcţie de natura seminţelor. Astfel, în seminţele de soia, partea cea mai bogată în substanţe hrănitoare se găseşte în cotiledon, în timp ce endospermul are forma unui strat foarte subţire. Coaja diferă de la o sămânţă la alta, fiind formată, în general, din trei straturi: epicarpul format din pigmenţi; mezocarpul format din celule tari şi lemnoase şi endocarpul format din celule mici în strat moale ţi subţire. Seminţele oleaginoase sunt formate dintr-un număr foarte mare de celule, seminţele de soia având celulele mari şi cu membrane subţiri, necesitând din această cauză un grad mai avansat de măcinare înainte de separarea uleiului. Celula tipică este formată din următoarele părţi: - învelişul celular format, în principal, din celuloză şi hemiceluloză; - oleoplasma, care este formată din citoplasma şi uleiul dispersat uniform în citoplasmă sub forma unor incluziuni microscopice; - granulele aleuronice, care sunt corpuri solide de origine proteică şi formate din cristaloizi şi globoizi, acoperite cu un înveliş foarte subţire. Cristaloizii sunt proteine gelificate, care se găsesc sub formă de cristale. Globoizii sunt corpuri rotunjite, formate, în special, din fitină şi acid fitinic, legate de proteine. 1.1.2 Compoziţia chimică a seminţei de soia Tabelul 1 – Compoziţia chimică medie a bobului de soia şi a părţilor componente, raportată la substanţa uscată Substanţa chimică

Bobul întreg (%)

Cotiledon (%)

Tegument (%)

Embrion (%)

Proteine Grăsimi Hidraţi de carbon Săruri minerale

39,90 20,78 34,43 4,89

38,27 20,47 25,81 4,45

0,81 0,09 7,74 0,36

0,82 0,22 0,88 0,08

Aminoacizii esenţiali, cu excepţia triptofanului, se află în soia într-o concentraţie mai mare decât în carne, fracţiunea solubilă a proteinelor conţinând 86% globuline, 8% albumine, 6% azot neproteic. De asemenea, lipidele din soia au o proporţie ridicată de acizi graşi nesaturaţi (85%), monosaturaţi (35%) şi polisaturaţi (50%). Totodată şi conţinutul de amidon este redus. Vitaminele din soia sunt: riboflavina, tiamina, acidul nicotinic, tocoferolii, piridozina şi carotenii, iar mineralele – potasiu, sodiu şi calciu. 1.2 Apa Deoarece vine în contact cu materiile prime prelucrate sau reprezintă o materie primă de bază pentru obţinerea unor produse ali-mentare, apa utilizată în industria alimentară trebuie să corespundă stan-dardului de calitate pentru apă potabilă. Cu toate acestea, în fiecare sector al industriei alimentare există reglementări specifice referitoare la calitatea apei întrebuinţate. De obicei, apa necesară industriei alimentare provine de la uzinele de apă, care asigură apa potabilă. Acolo unde este posibil acest lucru, trebuie folosită fie apă subterană, fie de suprafaţă, care, însă, trebuie verificată din punct de vedere sanitar şi tratată înainte de utilizare. Apa în industria uleiurilor Apa se foloseşte în scopuri tehnologice pentru umectarea măcinăturii, prepararea reactivilor de neutralizare, antrenarea cu vapori de apă etc., în scopuri igienice pentru spălarea spaţiilor de fabricaţie şi anexelor şi pentru instalaţiile sanitare. Ea trebuie să corespundă standardului pentru apă potabilă. De menţionat că fierul, manganul şi cuprul conţinute de apă catalizează oxidarea grăsimilor. Necesarul de apă este 6 – 10 m3/t uleiuri şi grăsimi. 1.3 Benzina de extracţie Este principalul dizolvant utilizat reprezentând un amestec de hidrocarburi alifatice. Faţă de alţi dizolvanţi prezintă unele avantaje: nu este miscibilă cu apa, are o masă specifică mică, are un interval de fierbere potrivit, nu este toxică, are o mare putere de dizolvare. Benzina este însă inflamabilă şi explozibilă fapt care impune măsuri de securitate corespunzătoare. În instalaţiile de extracţie continuă se foloseşte benzina cu intervalul de fierbere 65 - 85  C, iar pentru extracţia discontinuă cu intervalul de fierbere 70 - 95  C.

Benzina lichidă este mai uşoară ca apa iar vaporii sunt mai grei ca aerul. Limitele de explozie ale vaporilor de benzină în aer sunt 1,2 – 7,0 % volumetrice. Benzina generează procese de coroziune, ceea ce face necesară aplicarea răşinilor protectoare la extractor şi utilizarea de conducte de oţel inoxidabil la evacuarea gazelor din toaster.

Capitolul 2 ULEIUL DE SOIA – PRODUS FINIT Uleiurile vegetale sunt produse naturale obţinute din diverse materii prime şi care se utilizează ca atare în alimentaţie. Uleiul de soia se obţine din seminţele de soia în randament de 16-20%. În general, uleiurile comestibile sunt caracterizate printr-o culoare deschisă, predominând frecvent culoarea galbenă, nu au gust, nu au miros, iar aciditatea exprimată prin acid oleic este sub 1%, cu menţiunea că valoarea acidităţii de sub 4% poate da o orientare asupra calităţii acestora. Uleiurile din vegetale, numite şi grăsimi fluide, la temperatură obişnuită au densitatea mai mică decât apa, sunt solubile în solvenţi organici, iar în reacţie cu hidroxizii alcalini formează săpunurile şi glicerina. Din punct de vedere compoziţional sunt amestecuri de gliceride provenite din acizii nesaturaţi, şi mai conţin coloranţi, sterine, vitamine, proteine, fosfatide. Uleiul brut de soia are culoarea roşiatică şi miros neplăcut, iar după rafinare este galben, cu gust şi miros plăcut şi are următoarea compoziţie: - acizi saturaţi: 12-14% - acizi nesaturaţi: - acid oleic 35-40% - acid linoleic 45-50% - acid linolenic 2-3%. Calitatea produsului finit este influenţată în primul rând de calitatea materiei prime, definită de un ansamblu de factori între care cei mai importanţi sunt următorii: - conţinutul în substanţe utile valorificate în cadrul alimentaţiei umane, înglobând atât trigliceridele cât şi substanţele de însoţire a acestora ca: fosfatide, tocoferoli etc.; o problemă deosebit de importantă o constituie conţinutul în acizi graşi polinesaturaţi esenţiali; - existenţa unor raporturi convenabile între componenţii seminţelor oleaginoase: miez/coajă, substanţă uscată/umiditate, ulei/proteină, ulei/acizi graşi liberi, definesc maturitatea industrială la care trebuie făcută recoltarea asigură o bună conservare;

- puritatea materiei prime, care se referă la conţinutul în corpuri străine, la gradul de integritate al seminţelor oleaginoase, determinată în principal de condiţiile de recoltare şi prelucrare preliminară; - starea igienico-sanitară a materiei prime: sănătoasă, alterată, atacată de boli şi dăunători, cu conţinut de substanţe toxice remanente din insecticide sau fingicide etc. De asemenea, calitatea produsului finit mai este influenţată şi de alţi factori ce ţin de prelucrarea materiei prime în vederea obţinerii acestuia. Proprietăţile fizico-chimice ale uleiului de soia: densitatea, Kg/m3: 922 – 934 la 15  C; indicele de refracţie: 1,4742 – 1.4748 la 25  C; - porozitate: 8 – 9; - punct de topire,  C: - 20…23; - indicele de iod: 114 – 140; - indicele de saponificare: 186 – 196. -

Capitolul 3 ELEMENTE DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ Procesarea materiilor prime grase este oarecum diferită în funcţie de felul acestora. La seminţele oleaginoase, în funcţie de conţinutul lor în ulei, extracţia uleiului se poate face prin presare (la rece sau la cald) sau numai prin extracţia cu solvenţi. Aproape în toate schemele apar operaţiile de măcinare şi aplatizare ca operaţii de pregătire a materialului înainte de prăjire-presare. La prelucrarea fructelor oleaginoase, datorită conţinutului diferit de apă şi coajă, operaţiile pregătitoare înainte de extracţie diferă de cele ale seminţelor, iar la unele fructe diferă chiar şi metodele de extracţie. Materiile prime prelucrate în România sunt seminţele de floarea – soarelui, soia, in, rapiţă, ricin, germenii de porumb, germenii de grâu. Tehnologia clasică care se referă la obţinerea uleiurilor vegetale din seminţe oleaginoase este aplicabilă în mare parte şi celorlalte materii prime folosite şi cuprinde următoarele operaţii pincipale: - pregătirea materiilor prime pentru prelucrare: curăţirea, uscarea, descojirea şi măcinarea; - tratamentul hidrotermic (prăjirea); - presarea măcinăturii; - extracţia cu solvenţi; - rafinarea uleiului brut obţinut fie prin presare, fie prin extracţie. În continuare este prezentată schema tehnologică de prelucrare a seminţelor de soia în vederea obţinerii uleiului comestibil de soia.

3.1 Schema tehnologică Apă

Benzina de extracţie

SOIA

Apă

Curăţire Uscare Descojire Măcinare

Miez

Coji soia

Umectare Prăjire Răcire Turte Extracţie cu solvenţi

Ulei de extracţie

Presare

Şrot cu 1% ulei

Ulei de presă

Hidratare Hidratare Centrifugare Uscare

Toastare

Depozitare şrot cu 1% ulei

Filtrare

Centrifugare Uscare Filtrare

Ulei brut de extracţie

Ulei brut de presă

Rafinare

ULEI RAFINAT

3.2 Principalele operaţii la care este supusă materia primă în vederea obţinerii uleiului de soia 3.2.1 Pregătirea materiei prime pentru prelucrare Curăţirea În fabrică, seminţele sunt curăţite pentru îndepărtarea impurităţilor metalice, minerale, organice neoleaginoase, organice oleaginoase (seminţe seci, seminţe carbonizate, spărturi sau seminţe din alte sorturi decât cel recepţionat). Procedeele de separare a impurităţilor sunt următoarele: - separarea pe baza diferenţei de mărime, pe site cu mişcare rectilinie, circulară, vibratorie; - separarea pe bază de masă volumică cu ajutorul aerului; - separarea impurităţilor feroase pe baza proprietăţilor magnetice ale acestora se realizează cu ajutorul magneţilor naturali sau cu ajutorul electromagneţilor. Utilajele folosite la curăţirea seminţelor sunt următoarele: - vibroaspiratorul Sagenta; - postcurăţitorul Buhler; - curăţitorul Miag şi TDD; - curăţitorul Forsberg; - separatorul-aspirator; - electromagnetul rotativ cu tambur. Uscarea Apa din seminţele oleaginoase se găseşte sub formă de apă legată de componentele hidrofile şi apă imobilizată mecanic în capilarele celulare. Conţinutul de apă din seminţele oleaginoase este invers corelat cu cel de ulei. Viteza uscării seminţelor va depinde de: temperatura agentului de uscare, umiditatea sa relativă şi viteza de deplasare la suprafaţa seminţelor. Pentru uscare se foloseşte ca agent de uscare aerul. La toate tipurile de uscătoare, condiţia de bază este reducerea umidităţii seminţelor la ~4%, cu un consum energetic scăzut, fără ca seminţele să depăşească temperatura de 70`C, deoarece peste această valoare ar avea loc o creştere a indicelui de peroxid al uleiului din seminţe. Tipurile de uscătoare utilizate sunt următoarele: - uscătorul rotativ; - coloana de uscare Buhler sau Miag; - uscătorul US-50 cu trei coloane modulate; - uscătorul cu fascicul tubular Darra; - uscătorul în pat fluidizat Escher-Wyss;

- uscătorul sub vid. Descojirea Operaţia determină calitatea uleiului şi, în principal, a şrotului. Sunt supuse descojirii seminţele cu un conţinut mare de coajă şi care nu aderă intim la miez. Descojirea seminţelor de soia prezintă următoarele avantaje: - mărirea capacităţii de prelucrare la extracţie cu circa 10%; - permite reglarea conţinutului de protide din şrot prin reintroducerea unei părţi a cojii, putându-se obţine şrot cu minim 50% protide şi maxim 3% celuloză. Utilajele pentru descojirea şi separarea cojii sunt: - toba de descojire verticală Buhler; - descojitor pentru seminţe de soia; - vibroaspiratorul pentru separarea cojii de soia. Măcinarea Măcinarea este operaţia obligatorie în pregătirea materialului pentru extragerea uleiului, deoarece prin mărunţirea mecanică se realizează ruperea membranelor şi destrămarea structurii oleoplasmei celulare, care conţine ulei. Ca efect al măcinării uleiul, se elimină din canalele oleoplasmei sub formă de picături fine, fiind reţinute la suprafaţa măcinăturii, sau în capilarele acesteia. Tehnic, măcinarea realizează o deteriorare a 70-80% din celule. Măcinătura trebuie să fie uniformă, pentru a defavoriza conductibilitatea termică şi difuzia la prăjire şi extracţie. Mărunţirea este influenţată de umiditatea şi de conţinutul în ulei al seminţelor. La creşterea umidităţii, seminţele descojite devin plastice, mărunţirea este dificilă şi măcinătura este cleioasă, ceea ce îngreunează presarea şi extracţia. Umiditatea optimă de măcinare pentru seminţele de soia este de 10% . La seminţele cu conţinut mic şi mediu de ulei, uleiul care se separă la mărunţire (măcinare) este absorbit de către particulele măcinăturii şi nu provoacă dificultăţi la operaţiile ulteioare. La seminţele cu conţinut ridicat de ulei, la mărunţire se separă cantităţi mari de ulei, care nu poate fi absorbit în întregime, ceea ce conduce la o măcinătură cleioasă şi la pierderi mari de ulei, în asemenea situaţie impunându-se un grad de mărunţire mai puţin avansat. La mărunţire pot avea loc şi transformări chimice: - denaturarea proteinelor datorită căldurii produse prin frecare şi presiune exercitate de cilindrii valţurilor de mărunţire;

- creşterea acidităţii uleiului sub acţiunea lipazelor proprii; - creşterea indicelui de peroxid al uleiului datorită peroxidazei, lipoxigenazei şi oxigenului atmosferic. Procesul de măcinare se realizează în trei etape: deformaţia elastică, care are loc până la apariţia primelor crăpături; deformaţia plastică când materialul se aplatizează şi se compactează; destrămarea materialului şi apariţia de celule sparte. Utilajele pentru măcinare sunt: - valţurile; - concasoare; - mori cu ciocane. 3.2.2 Prăjirea măcinăturii Prăjirea reprezintă un tratament hidrotermic, realizat prin amestecarea continuă, în patru situaţii: - înainte de presare, asupra măcinăturii obţinute la valţuri; - înainte de extracţie, asupra broken-ului de la presare, după concasare; - înainte de aplatizarea materialului oleaginos; - înainte de extracţia asupra paietelor deja aplatizate. Scopul prăjirii înainte de presare este de a realiza anumite transformări fizico-chimice ale componentelor măcinăturii, ca şi modificări ale structurii particulelor, pentru obţinerea randamentului maxim la presare. În plus, se realizează transformări chimice suplimentare, care îmbunătăţesc calitatea produselor finite şi o dezodorizare parţială. Prăjirea înainte de extracţie este necesară pentru obţinerea plasticităţii dorite, în vederea prelucrării la valţurile de aplatizare în paiete fine, poroase şi stabile, care să nu se sfărâme în extractor şi să prezinte o structură internă favorabilă extracţiei cu dizolvant. La realizarea operaţiei trebuie să se aibă în vedere următoarele: - uleiul din măcinătură este prezent în proporţie de 70 – 80% la suprafaţa particulelor şi în capilarele măcinăturii sub formă de pelicule, iar 20 – 30% din ulei este inclus în celulele nedestrămate la măcinare; - apa din măcinătură este legată de gelul celular prin forţe de absorbţie puternice, astfel încât apa nu se elimină la presare; - măcinătura fiind un sistem compus din două faze, proprietăţile acestui sistem sunt în funcţie de ponderea fazelor în totalul sistemului. Măcinătura cu conţinut redus sau mediu de ulei are

proprietăţi funcţionale determinate de proteină. Măcinătura bogată în ulei are proprietăţile funcţionale ale unei dispersii mai mult sau mai puţin concentrate în particule solide; - faza de gel din măcinătură conduce la lipirea particulelor unele de altele şi poate conduce la împiedicarea eliminării uleiului. Prăjirea are drept scop: să îmbunătăţească condiţiile de separarea a uleiului din măcinătură prin realizarea unei plasticităţi optime; reducerea vâscozităţii şi tensiunii superficiale ale uleiului; îmbunătăţirea condiţiilor de scurgere a uleiului din măcinătură la presare; realizarea unei elasticităţi suficiente a măcinăturii în vederea realizării frecării dintre particule şi a unei presiuni ridicate la formarea broken-ului. Utilajele de prăjire folosite în industria uleiului sunt: - prăjitori verticale cu corp cilindric, cu compartimente multietajate; - prăjitoarea în pat fluidizat. 3.2.3 Presarea măcinăturii Presarea este operaţia prin care se separă uleiul din măcinătura oleaginoasă, sub acţiunea unor forţe exterioare, rezultanta fiind uleiul brut de presă şi broken-ul. La început se separă uleiul reţinut la suprafaţa particulelor de măcinătură ce se scurge prin canalele dintre particule, apoi, când sub influenţa presiunii crescânde începe deformarea şi comprimarea particulelor, are loc şi eliminarea uleiului. Când spaţiul dintre particule devine foarte mic, uleiul nu se mai elimină şi se ajunge la formarea broken-ului (turtelor). Prin procedeul de presare se poate obţine o separare a uleiului de până la 80 – 85%, restul uleiului fiind obţinut prin extracţie cu dizolvanţi. Din această cauză, în ţara noastră sunt supuse procesului de presare numai materiile prime oleaginoase a căror conţinut în ulei depăşeşte 30%. Cele cu un conţinut mai mic sunt supuse direct procesului de extracţie, deoarece randamentul scăzut nu justifică cheltuielile materiale generate de această metodă de obţinere a uleiului brut. Utilajele pentru presare sunt: - presa mecanică TPU-225; - presa mecanică Expeller 202; - presa de mare capacitate. 3.2.4 Extracţia cu solvenţi Extracţia uleiului cu solvent este o operaţie tipică de transfer de masă, realizată prin solubilizarea uleiului în dizolvant, în

care celelalte componente sunt insolubile. Rolul preponderent în extracţie îl joacă difuzia, care poate fi de mai multe feluri: - difuzie moleculară; - difuzie prin convecţie; - difuzia prin membrane celulare. Solvenţii de extracţie folosiţi trebuie să fie nepolari, hidrofobi, cu constantă dielectrică apropiată de a uleiurilor. Tipuri de extractoare folosite în industria uleiului: - extractorul Rotocel; - extractorul Carusel; - extractorul De Smet; - extractorul Crown. 3.2.5 Rafinarea uleiului brut Uleiurile vegetale brute obţinute fie prin presare, fie prin extracţie conţin pe lângă trigliceride şi alte substanţe: acizi graşi liberi, substanţe colorante, ceruri, zaharuri libere, glicolipide etc. Toate aceste substanţe numite substanţe de însoţire a uleiului, trebuie îndepărtate printr-o serie de operaţii tehnologice. Substanţele de însoţire se găsesc sub formă de particule insolubile, particule în suspensie de natură coloidală şi sub formă de substanţe solubile în ulei. Prezenţa lor influenţează calitatea, gustul, mirosul şi aciditatea uleiului. De aceea este necesară îndepărtarea substanţelor de însoţire, adică rafinarea uleiului. Rafinarea uleiului poate fi alcalină clasică şi fizică. Operaţiile principale de rafinare sunt: desmucilaginarea, neutralizarea, spălarea, uscarea, decolorarea, vinterizarea, dezodorizarea şi polisarea.

Capitolul 4 BILANŢUL DE MATERIALE ŞI BILANŢUL TERMIC 4.1 Bilanţul de materiale 4.1.1 Bilanţul de materiale global Msoia = Mulei + Mcoji + Mapă + M şrot +Mpirderi în care: M – reprezintă masa (cantitatea). Ştiind că boabele de soia au un conţinut în ulei de 18% iar pierderile globale reprezintă 3%, se poate calcula masa de soia necesară pentru obţinerea a 10 tone de ulei pe oră: 100 t soia ……………………………15 t ulei x ……………………………10 t ulei x=

100 ×10 15

=66,66 t soia

Msoia = 66,66 t/h Masa cojilor reprezintă 9% din masa de soia: Mulei = 0,15 × 66,66 = 10 t/h Mcoji = 0,09 × 66,66 = 6 t/h Mapă = 0,12 × 66,66 = 8 t/h Mpiereri = 0,03 × 66,66 = 2 t/h Mşrot = 66,66 – 10 – 6 – 8 – 2 = 40,66 t/h 4.1.2 Bilanţul de materiale al prăjitoarei M1 + M2 + M3 = M4 + M5 + M6 în care: - M1 – masa măcinăturii de soia la intrare în prăjitoare; - M2 – masa aburului la intrare în prăjitoare; - M3 – masa aerului uscat la intrare în prăjitoare; - M4 – masa măcinăturii de soia la ieşire din prăjitoare; - M5 – masa aburului la ieşire din prăjitoare; - M6 – masa aerului la ieşire din prăjitoare. M1 = Msoia – Mcoji M1 = 66,6 – 6 = 60,6 t/h

U1 = 12% U2 = 6% în care: U1 – umiditatea măcinăturii de soia la intrare în prăjitoare; U2 – umiditatea măcinăturii de soia la ieşire din prăjitoare. Astfel, cantitatea de apa eliminată în timpul prăjirii (W) este: W = 0,06 × M1 W = 0,06 × 60,6 = 3,636 t/h M2 = M 5 M3 =

W x2 − x 1

în care: x1 – umiditatea aerului la intrare, [ kgapa/kgaer uscat ]; x2 – umiditate aerului la ieşire, [kgapa/kgaer uscat]. Conform diagramei i – X avem : T1 = 60  C ϕ = 80% ⇒ x1 = 0,003 T2 = 60  C ϕ = 100% ⇒ x2 =0,035 3,636

M3 = 0,035 −0,003 = 113625 Kg/h = 113,62 t/h M4 = M 1 – W M4 = 60,6 – 3,6 = 57 t/h M6 = M3 +W M6 = 113,62 +3,63 = 117,2 t/h 4.1.3 Bilanţul de materiale al presei M4 = Mu + Mb în care: - M4 – masa măcinăturii de soia la intrare în presă; - Mu – masa de ulei la ieşire din presă; - Mb – masa broken-ului la ieşire din presă. Mu = 0,18 × 0,15 × Msoia Mu =0,18 × 0,15 × 66,66 = 8,2 t/h Mb = Ms - Mu Mb =57 – 8,2 = 48,8 t/h

M4 = 57 t/h 4.1.4 Bilanţul de materiale al extractorului Mb + Msolv i = Mulei + Mşrot + Msolv e în care: Msolv i =Msolv e – masa solventului la intrare şi respectiv la ieşire in extactor. Pentru extracţia a 10 t ulei/h debitul volumic (Mv) de benzină introdus în extractor este de 11 m3/h (1). M

Mv = ρ în care: - M – debitul masic al solventului în kg/h; - ρ - densitatea solventului în kg/m3. ρ = 2,55 kg/m3

Msolv = 55 × 2,55 = 140,25 kg/h = 0,14 t/h Mu = 1,8 t/h Mşrot = Mb - Mu Mşrot = 48,8 – 1,8 = 47 t/h 4.2 Bilanţul termic 4.2.1 Bilanţul termic al prăjitoarei Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 + Q7 Q1 – căldura intrată cu măcinătura supusă prăjirii Q1 = M1 Cp1T1 în care: Cp – capacitatea termică masică pentru soia; T1 – temperatura la intrare în prăjitoare; M1 = 60,6 t/h T1 = 30 oC Cp1 = 1828 J/kgK Q2 – căldura intrată cu agentul de încălzire Q2 = M2 × i1 în care: i1 – entalpia apei în stare lichidă. Q3 – căldura intrată cu agentul de uscare Q3 = M3 × i1

în care: i1 – entalpia masică a aerului. Conform Diagramei i – x, i1 =109 J/kg; M3 = 113,62 t/h Q4 – căldura ieşită cu măcinătura de soia Q4 = M1Cp2T2 M1 = 60,6 t/h Cp2 = 1835 J/kgK T2 = 60 oC Q5 – căldura ieşită cu agentul de încălzire Q5 = M2 × i2 în care: i2 – entalpia vaporilor de apă. Q6 – căldura ieşită cu agentul de uscare Q6 = M3 × i2 în care: i2 – entalpia masică a aerului la ieşire. i2 =115 J/kg Q7 – căldura ieşită cu apa eliminată Q7 = Mw × i2 în care: Mw – masa apei eliminate; i2 – entalpia vaporilor de apă la 60oC. Mw = 3,63 t/h i2 = 944,5 kJ/kg M1Cp1T1 + M2i1 + M3i1 =M1Cp2T2 + M2i2 + M3i2 + Mwi2 M2 (i2 – i1) =M1 (Cp2T2 – Cp1T1) + M3 (i2 – i1) + Mwi2 M2 =

M 1 (Cp 2T2 − Cp1T1 ) + M 3 (i2 − i1 ) + M w i2 r

în care: r – căldura latentă de vaporizare, în kJ/kg; M2 – debitul necesar de abur, în t/h. M2 =

60,6 ×10 3 (1835 × 60 −1828 × 30) + 113,2(115 −109) + 3,63 ×10 3 × 944,5 2260 ×10 3

10 3 (3348756 + 3428,53) + 679,2 M2 = 2260 ×10 3

M2 = 1483,56 t/h

Capitolul 5

DIMENSIONAREA PRINCIPALELOR UTILAJE 5.1 Dimensionarea prăjitoarei 5.1.1 Noţiuni teoretice Prăjirea măcinăturii de soia se realizează într-o prăjitoare în strat fluidizat. Prăjitoarea în pat fluidizat Escher Wyss (fig. 1) este destinată prăjirii soii. Durata totală de prăjire la 50 – 70 oC este de 3 –5 minute. Prăjitoarea, cu capacitate de 2000 t/zi, are lungimea L = 5 m şi lăţimea l = 2,5 m. Aerul este recirculat după o prealabilă curăţire prin intermediul cicloanelor. Avantajele unui asemenea prăjitor se referă la următoarele aspecte: - nu are părţi în mişcare în contact cu produsul; - energia agentului de uscare este utilizată aproape integral; - durata de contact şi temperatura agentului de încălzire nu afectează calitatea materialului; - încălzirea materialului este rapidă, uniformă şi poate fi controlată cu precizie. 5.1.2 Calculul vitezelor care asigură domeniul de fluidizare Pentru a asigura domeniul de fluidizare în prăjitoare este trebuie îndeplinită condiţia: wcr < w < wa în care: wcr – viteza critică a fluidului (viteza minimă de fluidizare); w – viteza curentului de aer; wa – viteza de antrenare. Calculul vitezei minime de fluidizare: wcr =

0,005 × d 2 ( ρ p − ρ g )ε cr

2

η g ϕ 2 (1 − ε cr )

în care: d – diametrul particulelor de măcinătură, d = 10-3m; ρp - densitatea particulei, ρp = 1294 kg/m3; ρg - densitatea gazului, ρg = 0,946 kg/m3; ηg - vâscozitatea dinamică a gazului, ηg = 21,81 × 10-6 Pa × s;

ϕ- factor de sfericitate, ϕ = 0,8 εcr - porozitatea la începutul fluidizării. εcr = 1 -

ρvrac ρp

εcr = 1 -

717 1294

wcr =

=1 – 0,55 = 0,45 0,005 × (10 −3 ) 2 (1294 − 0,96) × 0,55 2 21,81×10 −6 (0,8) 2 (1 − 0,55)

wcr = 1,3 m/s Calculul criteriului Arhimede g ×d 3

ρ p − ρg

Ar = ν 2 × ρ g g ν în care: g - vâscozitatea cinematică a gazului, νg = 23,13 × 10-6 m/s 1294 −0,946 9,81 ×(10 −3 ) 3 × −6 2 0,946 ( 23,13 ×10 )

Ar =

=579718,85

Calculul criteriului Reynolds Recr =

Ar 1400 + 5,22 Ar 579718,85

Recr =

1400 +5,22 579718,85

=107,86

Calculul vitezei de plutire a măcinăturii Repl =

Ar 18 + 0,61 Ar

w pl d

= ν g

⇒ w pl =

Re pl ν g

579718,85 =1201,61 579718,85

Repl= 18 +0,61 wpl =

1201,61× 23,13 ×10 −6 10 −3

= 2,7 m/s

d

Calculul vitezei curentului de aer Viteza curentului de aer trebuie să asigure condiţia: w > wpl Se recomandă : w = (1,1 – 1,25) wpl w = 1,2 × 2,7 = 3,24 m/s Calculul vitezei de antrenare wa = 8,72 wcr

wa = 8,72 × wcr wa =8,72 × 1,3 =11,33 m/s În acest caz este respectată condiţia : wcr < w < wa 1,3 < 3,24 < 11,33 5.1.3 Dimensionarea prăjitoarei în strat fluidizat Dacă o prăjitoare cu o capacitate de 2000 t/zi , respectiv 83,33 t/h are o lungime L= 5 m şi o lăţime l= 2,5 m, atunci prăjirea a 60,6 t/h se va realiza într-o prăjitoare cu următoarele dimensiuni: 83,33 t/h ……………..5 m……………..2.5 m 60,6 t/h ……………….L ……………….l L= l=

5 ×60,6 83,33 = 3,6 m 2,5 ×60,6 = 1,8 m 83,33

Aria prăjitoarei: A = L×l A = 3,6 m × 1,8 m = 6,48 m2 5.2 Dimensionarea presei 5.2.1 Noţiuni teoretice

Presa mecanică de mare capacitate este una din presele utilizate în unele fabrici de ulei din ţara noastră. Această presă poate realiza la prelucrarea seminţelor de soia 60 t seminţe/h, cu 18% ulei remanent în broken. Presa (fig. 2) este acţionată de un electromotor de 270 kW şi turaţia de 1500 rot/min, prin intermediul unui reductor de turaţie. Pe axul cu melci cu turaţia de 18 – 22 rot/min sunt montaţi cu pene paralele obişnuite, şase melci şi trei inele intermediare. Scheletul camerei de presare se compune din două jumătăţi simetrice strânse între ele cu 34 şuruburi de blocare. Pentru asigurarea rigidităţii şi rezistenţei camerei de presare la presiunile înalte care se creează în interiorul acesteia în timpul funcţionării, aceasta este prevăzută cu 20 semibride din oţel. Pentru uşurarea demontării camerei de presare, aceasta se poate roti în jurul axului său, Camera de presare are şapte trepte de presare (din care prima este camera de alimentare), pe lungime având doar două diametre diferite. Baghetele camerei de presare sunt de formă regulată, fără şliţuri şi se fixează cu ajutorul bridelor de strângere şi a 78 şuruburi cilindrice. Distanţa dintre baghete (şliţuri) se realizează cu plăcuţe separatoare şi este de 0,8 mm la treapta I, de 0,65 mm la treapta II, de 0,45 mm la treapta III, de 0,35 mm la treapta IV şi de 0,25 mm la treptele V, VI, VII. Pentru evitarea creşterii temperaturii în camera de presare axul este răcit din interior. 5.2.2 Dimensionarea presei mecanice O presă cu o productivitate de 200 – 240 t ulei/zi ocupă o suprafaţă de montaj de 12 m2. (1). De aici se poate determina lungimea şi lăţimea presei: - lungimea L = 6 m - lăţimea l = 2 m Calculul diametrului melcului de alimentare Q = 47,1 × D 2 × l × n × ρ (1 −ψ )(1 − K r ) în care: Q – capacitatea presei mecanice, în t/h; D – diametrul melcului de alimentare, în m; l – lungimea pe care se face deplasarea materialului la o rotaţie a arborelui, în m;

Se ţine seama de faptul că l < s (pasul), deoarece spira melcului nu este completă. l = 0,6 m; n- turaţia, în rot/min; ϕ- coeficient de umplere cu măcinătură a volumului liber al camerei de alimentare, se ia egal cu 1. ρ - densitatea materialului la intrarea în presă, în t/m3; ψ - coeficient de ocupare a spaţiului din camera de presare cu butucul, spira melcului şi cuţitele; ψ =0,312; Kr- coeficientul de reflux al măcinăturii în presă, Kr = 0,6. Q

D2= 47,1×l ×n × ρ(1 −ψ)(1 − K D2=

r

)

57 47,1 ×0,6 ×18 ×1,2 ×0,68 ×0,35 =

D=

0,39256

0,39256

= 0,626 m.

5.3 Dimensionarea extractorului 5.3.1 Noţiuni teoretice Extractorul De Smet (fig. 3) se încadrează în categoria extractoarelor cu bandă şi funcţionează pe principiul percolării, benzina şi miscela fiind pulverizate în contracurent pe stratul de măcinătură. Aparatul este alcătuit dintr-o carcasă paralelipipedică în interiorul căreia se află o bandă transportoare, acţionată în mişcare prin intermediul roţii stelate şi al unui mecanism cu clichet de la un grup motoreductor care asigură: avansarea cu o viteză liniară variabilă pentru a se asigura condiţiile unei extracţii optime, avansarea în sistem sacadat pentru a se asigura scurgerea dizolvantului, respectiv a dizolvantului îmbogăţit în dizolvat, prin stratul de material supus extracţiei. Banda este un transportor cu plăci perforate şi are parte activă numai ramura superioară. Alimentarea cu materia primă supusă extracţiei se realizează la unul din capetele benzii, printr-un buncăr de alimentare, care printr-un dispozitiv reglează înălţimea materialului supus extracţiei. La capătul opus alimentării, materialul cade în buncărul de evacuare, care are în partea inferioară un dispozitiv de malaxare şi evacuare a solidului epuizat în dizolvat.

Prin mişcarea sacadată, care se efectuează prin lungimea benzii, se asigură realizarea a opt unităţi de extracţie. Banda este înclinată în sens invers avansării materialului supus extracţiei şi în acelaşi sens de curgere a dizolvantului. În categoria altor caracteristici ale extractorului trebuie considerate: recircularea unor cantităţi mari de miscelă pe fiecare treaptă de extracţie, ceea ce pmite reducerea cantităţii de dizolvant şi obţinerea de miscele concentrate şi limpezi; gruparea a câte patru pompe pe un arbore comun pentru a reduce problemele de etanşeizare; montarea pâlniilor de colectare a extractului parţial, oarecum în trepte, şi asigurarea unor legături prin preaplin în sensul curgerii extractului; funcţionarea materialului supus extracţiei ca strat filtrant pentru extracţie. Extractorul lucrează în mod normal cu un hidromodul de 0,75 – 0,78, dând miscelă cu un conţinut în ulei de 25 – 30% masă şi un conţinut de 0,3 – 0,5% ulei în şrotul uscat. 5.3.2 Caracteristicile tehnice ale extractorului De Smet - Productivitate: 10 t ulei/h; - Dimensiunile plăcilor perforate, în mm: 800 × 3000; - Lungimea benzii, în mm: - totală: 44000 -utilă: 14000; - Lăţimea benzii, în mm: 3000; - Viteza de deplasare a benzii, m/s: 3 –9; - Debitul de benzină introdus în extractor, m3/h: 55; - Temperatura miscelei în circulaţie, în oC: 40 – 50; - Temperatura benzinei la intrare în extractor, oC: 50 – 55; - Durata extracţiei, în h: 1,5 – 2,0; - Înălţimea stratului de material, în mm: 600 – 1200; - Lăţimea stratului de material, în mm: 2400; - Dimensiuni de gabarit: - lungime, în mm: 20000 - lăţime, în mm: 4640 - înălţime, în mm: 9053; - Racorduri, în mm: - intrare benzină: DN 50 - ieşire miscelă pentru recirculare şi evacuare: DN 100 - intrare miscelă pentru recirculare: DN 80 - intrare miscelă prespălare: DN 50

- intrare miscelă spălare bandă: DN 50 - recirculare miscelă de la pompă: DN 50 - alimentare material: DN 400.

BIBLIOGRAFIE:

1. Banu C. – “Manualul inginerului de industrie alimentară „ , Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998 ; 2. Boeru G. şi Puzdrea D. – “Tehnologia uleiurilor vegetale”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1880; 3. Chirilă P. – “Alimentaţia echilibrată a omului sănătos “, Ed. Naţional, Bucureşti, 2004 ; 4. Ciobanu D. – “Chimia alimentelor”, vol. I,Ed. Tehnica-Info, Chişinău, 2001; 5. Dumitru M. – “Influenţa proceselor tehnologice asupra calităţii produselor alimentare”, vol.II, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1979 ; 6. Macovei R. – “Caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară”, Ed. Tehnică, Bucureşti, 2000; 7. Nedeff V. – Materii prime şi tehnologii generale în industria alimentară, Ed. Alma-Mater, Bacău, 2000; 8. Note de curs, - Tehnologii generale în industria alimentară, 2004.