luchi an mihaela i one la

8/14/2019 Luchi an Mihaela i One La

1/71

1

Investete n oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013

Axa prioritar1 Educaie i formare profesionaln sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatereDomeniul major de intervenie 1.5 Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Investiie n dezvoltare durabilprin burse doctorale (INED)Numrul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

Universitatea Transilvaniadin Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Centrul de cercetare:Eco Biotehnologii i echipamente n

agriculturi alimentaie

Drd. Mihaela Ionela LUCHIAN

Contribuii privind optimizarea energetica procesului demalaxare a aluatului de panificaie

Contribution on the energetic optimization of bread dough

mixing process

Conductor tiinific

Prof.dr.ing. Carol CSATLOS

BRASOV, 2012


2/71

2

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVBRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENAComisiei de doctorat

Numitprin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov

Nr. ........ din ....................

PREEDINTE: Prof.dr.ing. Vasile PDUREANUUniversitatea Transilvaniadin Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.dr.ing. Carol CSATLOSUniversitatea Transilvaniadin Braov

REFERENI: Prof.dr.ing. Gheorghe VOICUUniversitatea PolitehnicBucuretiAssoc.prof.PhD eng. Stefan STEFANOVUniveristy of Food Technology, Plovdiv, BulgariaConf.dr.ing. Liviu GaceuUniversitatea Transilvaniadin Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 25 Septembrie 2012,ora 11, sala RP6

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii vrugm sle transmitei n timp util, pe adresa [email protected]

Totodatvinvitm s luai parte la edina publicde susinere a tezei dedoctorat.

Vmulumim.


3/71

3

CUPRINS (lb. romana)Pg.

teza

Pg.

rezumat

1. ASPECTE GENERALE PRIVIND PINEAI TEHNOLOGIILE DE

PREPARARE A ACESTEIA. 11 71.1. Istoricul pinii... 11 71.2. Pinea i importana ei n alimentaie.................. 12 71.3. Materii prime i auxiliare utilizate la fabricarea pinii................ 16 81.4. Controlul calitii materiilor prime i auxiliare................... 35 91.5. Condiii de calitate impuse pinii i produselor de panificaie.... 38 91.6. Stadiul actual al tehnologiilor de fabricare a pinii................. 41 10

2. CARACTERIZAREA REOLOGICA ALUATULUI DIN FINDE GRU IECHIPAMENTELE UTILIZATE N PROCESUL DE MALAXARE AACESTUIA............................................................................................................................

61 12

2.1. Caracterizarea aluatului de panificaie..................... 61 122.2. Stabilirea caracteristicilor energetice ale procesului de malaxare................................... 70 152.3. Echipamente utilizate la malaxarea aluaturilor n industria panificaiei...................... 72 17

3. NECESITATEA I OBIECTIVELE LUCRRII DE DOCTORAT................... 83 193.1. Necesitatea lucrrii....... 83 193.2. Obiectivele lucrrii... 84 19

4. MODELAREA I SIMULAREA DINAMICII ALUATULUI I A PROCESULUIDE MALAXARE A ACESTUIA...........................................................................................

86 20

4.1. Modele reologice vscoelastice... 86 204.2. Studiul fluajului i descrcarea dupfluaj a sistemelor reologice................................... 87 214.3. Relaxarea forei i anularea deformaiei duprelaxare................................................... 87 214.4. Modelul liniar elastic Hooke............................................................................................ 88 224.5. Modelul liniar vscos Newton......................................................................................... 89 23

4.6. Modelul matematic vscoelastic Kelvin-Voigt................................................................ 92 234.7. Modelul matematic vscoelastic Maxwell....................................................................... 107 274.8. Modelul matematic vscoelastic Burgers......................................................................... 118 304.9. Simularea procesului de malaxare a aluatului folosind metode numerice 132 345. CERCETAREA EXPERIMENTAL A DINAMICII ALUATULUI I ACONSUMURILOR ENERGETICE N PROCESUL DE MALAXARE AALUATULUI DE PINE.....................................................................................................

147 43

5.1. Obiectivele cercetrilor experimentale............................................................................ 147 435.2. Obiectul cercetrilor experimentale................................................................................. 150 435.3. Metodica cercetrii experimentale................................................................................... 151 445.4. Aparatura utilizatla cercetarea experimental.............................................................. 162 455.5. Desfurarea cercetrii experimentale............................................................................. 156 47

5.6. Prelucrarea, analiza i interpretarea rezultatelor cercetrii experimentale....................... 162 496. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUII PERSONALE I DIRECIIVIITOARE DE CERCETARE............................................................................................

18663

6.1. Concluzii generale............................................................................................................ 186 636.2. Concluzii privind cercetrile teoretice i experimentale...... 187 636.4. Contribuii personale.... 189 656.5. Direcii viitoare de cercetare.... 191 65BIBLIOGRAFIE 193 66


4/71

4

CONTENTSPg.

teza

Pg.

rezumat

1. GENERAL ASPECT REGARDING BREAD AND ITS MANUFACTURINGTEHNOLOGIES.

11 7

1.1. Bread history... 11 71.2. Bread and its importance in nutrition.................. 12 71.3. Raw and auxiliary materials used in breadmaking process................ 16 81.4. Raw and auxiliary materials quality control................... 35 91.6. Quality requirements imposed to bread and bakery products .... 38 91.7. Present state of technology for preparing bread ..................... 41 10

2. RHEOLOGY OF WHEAT FLOUR DOUGH AND EQUIPMENT USED IN ITSMIXING PROCESS..............................................................................................................

61 12

2.1. Characterisation of bread dough ............................. 61 122.2.Setting energetic characteristics of the mixing process................................................... 70 152.3. Equipment used for mixing dough in the bakery industry .......................................... 72 17

3. PHD THESIS NECESSITY AND OBJECTIVES............................... 83 193.1. PhD thesis necessity. 83 193.2. PhD thesis objectives.. 84 19

4. MODELING AND SIMULATION OF BREAD DOUGH MIXING DYNAMICSAND PROCESS THEREOF..

86 20

4.1. Viscoelastic rheological models.... 86 204.2. Study of creep and creep after unloading rheological systems........................................ 87 214.3. Force and strain relaxation............................................................................................... 87 214.4. Hooke linear-elastic model.............................................................................................. 88 224.5. Newton linear-viscous model........................................................................................... 89 234.6. Kelvin-Voigt viscoelastic mathematical model............................................................... 92 234.7. Maxwell viscoelastic mathematical model...................................................................... 107 27

4.8. Burgers viscoelastic mathematical model........................................................................ 118 304.9. Dough mixing process simulation using numerical methods 132 345. EXPERIMENTAL RESEARCH OF BREAD DOUGH DINAMICS AND THEENERGY CONSUMPTION N MIXING BREAD DOUGH PROCESS.......................

147 43

5.1. Experimental research objectives................................................................................... 147 435.2. Experimental research objects......................................................................................... 150 435.3. Experimental research methodology................................................................................ 151 445.4. Equipments for experimental research............................................................................. 162 455.5. Experimental research development............................................................................... 156 475.6. Processing, analysis and interpretation of experimental research results....................... 162 496. GENERAL CONCLUSION, PERSONAL CONTRAPOSITIONS AND FUTURERESEARCH..........................................................................................................................

18663

6.1. General conclusions......................................................................................................... 186 636.2. Theoretical research conclusions..... 187 636.4. Personal contributions.. 189 656.5. Future researach.. 191 65REFERENCES 193 66


5/71

5

PREFAProcesul de panificaie este un proces complex. Pe fluxul tehnologic de panificaie materiile

prime i materiile auxiliare sunt supuse mai multor operaii, prin care sunt transformate mai ntintr-un aluat consistent cu proprieti fizico-mecanice, chimice i tehnologice corespunztoare,

care sconduc apoi la obinerea unor produse finite, cu volum adecvat prezentnd un aspectexterior i un miros plcut, precum i un miez elastic cu porozitate fin; produse care s fiepstrate n condiii normale un timp ct mai mare.

Complexitatea procesului de panificaie se datoreaz n mare msur aluatului care seformeaz n timpul procesului de malaxare a finii cu apa. Caracteristicile de rezisten alealuatului sunt considerate importante att n aprecierea calitativa diverselor tipuri de fin, cti n selecia materiei prime. Proprietile fizico-chimice, reologice i tehnologice ale aluaturilorinflueneazprocesul de malaxare i prelucrare, att prin regimurile de funcionare adoptate lautilajele de pe fluxul tehnologic, ct i prin componentele reetei utilizate (adaosuri deingrediente i aditivi).

n acest sens sunt necesare informaii corespunztoare astfel nct aluatul sfie de calitate i

sasigure obinerea unor produse finite cu caracteristici uniforme, cu gust i aspect plcut.Pe plan internaional, cercetrile privind utilizarea diferitelor ingrediente n produsele de

panificaie a cunoscut n ultimele decenii o evoluie spectaculoas ca urmare a progreselornregistrate n cercetrile privind particularitile structurale i funcionale ale proteinelorglutenice ale finii. Acestea au contribuit decisiv la nelegerea mecanismelor de aciune aingredientelor i a utilizrii lor n practic. Cu toate acestea o serie de procese biochimice iparticulariti ale ingredientelor utilizate n panificaie au rmas neelucidate pnastzi.

Dei principalele mecanisme de aciune a diferitelor ingrediente asupra aluatului au fostelucidate, astzi la nivel mondial se observo preocupare majorpentru studiul relaiei existente

ntre particularitile reologice ale aluatului, calitatea finii, doza ingredientelor utilizate iprocesul de malaxare utilizat.

Exist preocupri permanente ale cercettorilor din ar i strintate pentru dezvoltareaunor metode simple, rapide i comode de testare a aluatului pentru caracterizarea proprietilorde panificaie ale acestora. Validarea cercetrilor de laborator trebuie, ns, realizatprin aplicaiipe fluxul tehnologic de producie, cu urmrirea comportrii reale a aluaturilor i prin verificareacaracteristicilor produselor finite.

Cunoaterea comportrii aluaturilor este utili necesaratt pentru evaluarea parametrilortehnologici i funcionali ai echipamentelor care prelucreaz aluaturile din fin, ct i pentrustabilirea parametrilor tehnologici ai procesului de panificaie nsui.

Tema abordat n aceast lucrare, referitoare la studiul comportrii diferitelor tipuri dealuaturi n procesul de malaxare cu scopul optimizrii procesului, este deosebit de actual i

necesar pentru completarea cunotinelor asupra caracteristicilor acestor aluaturi i pentrucercetarea consumurilor energetice n procesul de malaxare a aluaturilor, orice reducere aconsumurilor energetice regsindu-se n preul final al pinii la consumator.

Lucrarea este structuratpe 6 capitole, dezvoltatpe 192 pagini, fiind ilustratcu 158 figurii grafice, 148 relaii matematice i 24 tabele, precum i o listbibliografic alctuitdin 115referine bibliografice.

Lucrarea mai cuprinde i un rezumat n limbile romn i englez, CV-ul sumar n limbaromni englezi o lista lucrrilor tiinifice publicate sau comunicate pe tema lucrrii dedoctorat.

n Capitolul 1, intitulat Aspecte generale privind pinea i tehnologiile de preparare aacesteia suntprezentate rolul i importana pinii n alimentaia uman, caracteristicile nutritive

i energetice ale pinii, materiile prime i materiile auxiliare utilizate la fabricarea acesteia,precum i tehnologiile de fabricare a pinii.


6/71

6

Un subcapitol foarte important l reprezintControlul calitii materiilor prime i auxiliare,deoarece calitatea acestora este primordial n obinerea calitii superioare a pinii; i nu nultimul rnd subcapitolul intitulat Condiii de calitate impuse pinii i produselor de panificaie,care precizeaz indicatorii minimi de calitate pe care trebuie s-i ndeplineasc pinea iprodusele de panificaie pentru a corespunde consumului. Tot n aceastparte sunt prezentate pescurt tehnologiile moderne care pot fi utilizate pentru obinerea pinii i a produselor depanificaie.

Capitolul 2 intitulat Caracterizarea reologic a aluatului din fin de gru iechipamentele utilizate n procesul de malaxare a acestuiaabordeazelementele principale dereologie a aluatului. n aceastparte sunt prezentate consideraiile generale privind caracterizareaaluaturilor (bazele tiinifice ale procesului de malaxare, factorii care influeneazdezvoltarea icaracteristicile aluatului, caracterizarea general a aluatului de pine), principalele tipuriconstructive de malaxoare.

Capitolul 3, intitulat Necesitatea i obiectivele lucrrii de doctorat precizeaz attnecesitatea acestei teze de doctorat ct i obiectivele urmrite i rezolvate.

n Capitolul 4, intitulat Modelarea i simularea dinamicii aluatului i a procesului demalaxare a acestuia se prezintpe scurt modelele reologice vscoelastice, iar pe baza acestoras-a realizat simularea dinamicii aluatului pentru modele analogice Kelvin- Voigt, Maxwel i

Burgers, cu ajutorul programului MatLab Simulink. n partea a doua a acestui capitol esteprezentatmodelarea matematica comportrii aluatului la malaxare prin utilizarea unor softurispecializate (SolidWorks, FlowVision).

Capitolul 5 denumit Cercetarea experimental a dinamicii aluatului i a consumurilorenergetice n procesul de malaxare a aluatului de pine prezint obiectivele cercetriiexperimentale ale tezei de doctorat, modul de ndeplinire a acestora, precum i rezultateleobinute.

n Capitolul 6, intitulat Concluzii se sintetizeaz rezultatele cercetrilor teoretice iexperimentale din prezenta lucrare de doctorat, se precizeazcontribuiile personale ale autoareii se sugereazdireciile pe care se pot continua cercetrile la aceasttem.

***Prezenta lucrare de doctorat a fost realizatsub ndrumarea tiinifica domnului prof. univ.

dr. ing. Carol CSATLOS, cruia i adresez cele mai sincere mulumiri pentru sprijinul,ncrederea i nalta competencu care m-a ndrumat la elaborarea acestei teze de doctorat.

Adresez, de asemenea, mulumiri tuturor cadrelor didactice i colegilor din cadrul Facultiide Alimentaie i Turism care mi-au fost alturi n aceastperioad.

Pentru sprijinul acordat n realizarea simulrii i modelrii procesului de malaxare lemulumesc domnului Prof.dr.ing. Igor Litovchenko de la Universitatea de Tehnologii Alimentaredin Kiev, Ukraina i domnului Prof.dr.ing. Stefan Stefanov de la Universitatea de TehnologiiAlimentare, Plovdiv, Bulgaria.

Nu n ultimul rnd, mulumesc familiei pentru sprijinul moral i afectiv, pentru grija inelegerea de care au dat dovadpe tot parcursul elaborrii acestei teze de doctorat.

Mihaela Ionela LUCHIANBraov, septembrie 2012


7/71

7

1. ASPECTE GENERALE PRIVIND PINEA I TEHNOLOGIILE DEPREPARARE A ACESTEIA

1.1. Istoricul pinii

A fost nevoie de mii de ani pentru ca pinea sevolueze n forma pe care o cunoatem nprezent. Populaia Egiptului antic prjea la nceput gru i orz la flacr deschis. Ulterior,egiptenii au descoperit caroma, consistena i digestia grunelor ntregi sau pisate puteau fi

mbuntite prin adugarea apei, obinndu-se astfel un terci. Atunci cnd straturi dintr-un terciconsistent i vscos au fost puse la copt pe pietre ncinse deasupra focului, a aprut pinea plat.

Aceast evoluie, de la semine prjite la pine, se pare c a nceput n jurul anului 6000.Hr., ncheindu-se n 2600 .Hr., cnd brutarii egipteni au fcut o descoperire remarcabil: dacamestecul de semine pisate i apnu era copt imediat, se declana un proces de fermentaie, nurma cruia rezulta un aluat aromat. Cnd era copt, aluatul respectiv cretea, obinndu-se opine mai moale i mai uoar.

Dup ce au descoperit procesul de dospire, egiptenii i-au perfecionat aptitudinile debrutari, producnd peste 50 de varieti de pine. Principala materie primera grul, dar se maiaduga i orzul, ce are un coninut mai ridicat de gluten i produce astfel o pine mai grea.Principalul agent de dospire, un aluat fermentat, era preparat n cantiti mari i pstrat pentru afi amestecat cu aluatul proaspt. Astfel, pinea putea fi produsori de cate ori era necesar.

Aceste abiliti culinare au impus nlocuirea pietrelor folosite la coacere cu un dispozitiv maicomplex, astfel cegiptenii au inventat cuptorul. Si n prezent se mai ntlnesc asemenea relicve,confecionate din lut de Nil, terminate n partea superioarprintr-un con deschis i cu interioruldivizat de polie orizontale. Prin gaura superioar a cuptorului, brutarul putea, la nevoie, s

nepe aluatul care cretea.Brutritul a rmas neschimbat timp de mai multe secole. Dei romanii coceau pine,

cronicarii nu menioneazexistena brutarilor pnn secolul al II-lea .Hr. Brutarii erau n mareparte sclavi eliberai ce scuteau femeile de povara gtitului, acestea evitnd apropierea decuptoarele ncinse.

1.2. Pinea i importana ei n alimentaie

Activitatea legat de obinerea produselor de panificaie (pine, produse de franzelrie,covrigi, .a.) reprezintuna dintre cele mai vechi ndeletniciri din ara noastr, i totodatunadintre componentele majore ale produciei alimentare.

Pinea constituie un aliment de bazcare se consumzilnic motiv pentru care industria depanificaie ocup un loc important n cadrul produciei bunurilor de larg consum. Prelucrarea

finii are loc n cadrul unor uniti de panificaie cu capaciti din cele mai diverse carerealizeazo gamlargde produse. Prin substanele lor componente, aceste produse contribuiela nmulirea celulelor organismului uman, la refacerea esuturilor uzate, la meninerea sntiii a capacitii de munc.

Pentru satisfacerea cerinelor tot mai crescnde i diversificate necesare unei alimentaiimoderne, industria de panificaie din Romnia realizeazo mare varietate de sortimente, care potfi grupate astfel: pine neagr, pine semialb, pine alb, produse de franzelrie simple, produsede franzelrie cu adaosuri, produse speciale de franzelrie, produse dietetice si produse desimigerie.

Ca produse pentru consum, pinea are importante proprieti fizico-chimice i gustative,care stau la baza valorii alimentare i a calitii lor.

Pentru stabilirea calitii pinii, o deosebit importanare compoziia chimica acesteia,deoarece substanele care intr n componena ei servesc la obinerea energiei necesareorganismului omenesc, la formarea esuturilor i la reglarea diferitelor procese ale organismului.


8/71

8

Pe lngcompoziia chimic, calitatea pinii i deci valoarea ei alimentardepinde n maremsurde indicii gustativi: aroma i gustul, aspectul exterior, afnarea miezului (porozitatea).

1.3. Materii prime i auxiliare utilizate la fabricarea pinii

Principalele produse ale industriei de panificaie care se fabricn unitile din Romnia suntpinea, produsele de franzelrie, produsele dietetice i cele de simigerie (fig. 1.2).

Pentru obinerea acestor produse se folosesc ca materii prime i auxiliare: fin, ap, sare,afntori, grsimi alimentare, substanele dulci, lapte, ou, arome, fructe, colorani, materiale deambalat i altele.

Materiile prime i auxiliare influeneazcalitatea produselor finite obinute prin compoziialor, iar nsuirile lor tehnologice determin modul de desfurare a procesului tehnologic defabricaie.

Fig. 1.2 - Principalele produse ale industriei de panificaieFina de grueste principala materie alimentarcare se utilizeazn industria panificaiei.

Ea rezultprin mcinarea grului n diferite variante de extracie.Datoritlrgirii permanente asortimentelor de produse finite puse la dispoziia consumatorilor i progresului tehnologic defabricaie a acestor produse este necesar ca fina utilizat s corespund destinaiei sale.Mecanizarea i automatizarea proceselor tehnologice de fabricaie a produselor de panificaie, ncondiii de eficien, impune finii, ca materie primde baz, o serie de nsuiri de calitate, ctmai constante i corespunztoare cerinelor de calitate ale fiecrui sortiment sau grup deproduse finite pentru care este folosit.

Apa este un component indispensabil al aluatului, n prezenta ei particulele de fin i

componenii ei macromoleculari se hidrateazi formeazglutenul. De asemenea, apa joacunrol important n toate tipurile de procese, biochimice, microbiologice, coloidale care au loc naluat.

Drojdia se folosete ca agent de afnare biochimic a aluatului. Ea aparine genuluiSaccharomyces, specia Saccharomyces cerevisiae, i poate, datorit echipamentului suenzimatic, sfermenteze glucoza, fructoza, zaharoza i maltoza, adictoate zaharurile din aluat.

n panificaie, sarea se folosete la prepararea tuturor produselor, cu excepia produselordietetice frsare. Se folosete pentru gust i cu scop tehnologic.

n categoria materiilor auxiliare ntr acele produse care au rolul de a ameliora gustul irolul de a mri valoarea nutritiv a produselor. Dintre acestea fac parte zaharurile, glucoza,mierea de albine, laptele i subprodusele din lapte, oule, fibrele alimentare, condimentele,

glutenul, seminele i conservanii.

PPRRIINNCCIIPPAALLEELLEEPPRROODDUUSSEEAALLEEIINNDDUUSSTTRRIIEEIIDDEEPPAANNIIFFIICCAAIIEE

Produse de panificaie

Pine albPine semiPine neagr

Produse de franzelrie

mpletituriChecCozonacChifleCornuri

Produse de dietetice

Pine GrahamPine frsarePine cu trePine roteic

Produse de simigerie

Covrigi


9/71

9

1.4. Controlul calitii materiilor prime i auxiliare

Pentru a putea fi utilizate n procesul tehnologic de fabricare a pinii i produselor depanificaie, materiile prime i cele auxiliare trebuie sndeplineasccondiiile de calitate impusede standardele de specialitate. Pentru a avea certitudinea calitii, acestea sunt supuse unuicontrol riguros de calitate, care se execut de specialiti, n laboratoare speciale, dotatecorespunztor.[Banu, C, 2000].

Calitatea finii se apreciaz prin determinarea caracteristicilor senzoriale (culoare, gust,miros), fizico chimice (aciditate, umiditate, coninut de cenu, granulozitate, impuritimetalice), tehnologice (coninut de gluten umed, coninut de gluten uscat, indicele de deformareal glutenului, capacitatea de hidratare), gradului de infestare [Banu C. .a., 2000; Bordei D.,2004].

Din punct de vedere economic este recomandat ca n industria panificaiei s fie utilizatsarea de calitate inferioar. Astfel, sarea utilizat trebuie s ndeplineasc o serie de condiiitehnice de calitate prevzute n standardele n vigoare.

Calitatea srii se stabilete prin control senzorial, urmrind gustul, mirosul, culoarea icorpurile strine.[Bordei, D., 2004]

n industria de panificaie apa este controlatnumai din punct de vedere organoleptic. Astfel

se determinculoarea, aspectul, gustul, mirosul, transparena i impuritile vizibile.Pentru a putea fi utilizat ca aptehnologic n industria de panificaie, apa trebuie s fie

perfect transparent, incolor, frsediment, iar gustul i mirosul se admit sfie foarte slabe icel mult perceptibile de o persoancu experien.[Bordei D., 2004; GiurcV., 1980]

Calitatea drojdiei se apreciaz prin examen senzorial analizndu-se aspectul, culoarea,consistena, mirosul, gustul, puterea de cretere i uneori umiditatea.

Zahrul, grsimile, laptele se controleazorganoleptic, analizndu-li-se aspectul, culoarea,gustul, mirosul, consistena (n cazul grsimilor solide).

1.5. Condiii de calitate impuse pinii i produselor de panificaie

Calitatea unui produs reprezintansamblul proprietilor i caracteristicilor care i conferacestuia posibilitatea de a satisface nevoile explicite i implicite ale consumatorilor (conformISO 9000:2006).

Produsele de panificaie se fabricpe baza unor standarde sau norme interne, care precizeazindicatorii minimi de calitate pe care trebuie sa-i ndeplineascspre a corespunde consumului.Sunt supuse controlului calitii att proprietile senzoriale (aspect, arome, gust), care producsenzaia plcutasupra cumprtorului, ct i nsuirile fizico-chimice care garanteazun anumitconinut de substane hrnitoare, astfel nct produsele s fie nu numai plcute, ci i utile nalimentaie.

Controlul calitii pinii se face asupra unor probe medii, prin examinarea caracteristicilorsenzoriale i prin determinarea indicilor fizico-chimici.

Pinea i produsele de panificaie oferite spre comercializare trebuie sfie fabricate conformprevederilor legale, n scopul proteciei sntii publice, proteciei igienei alimentului iproteciei calitii produsului; sse ncadreze n nivelurile maxime admise de contaminare fizic,chimic, microbiologic, toxicologicsau radiologic, stabilite prin reglementri speciale; sfieambalate, etichetate i marcate conform reglementrilor specifice, iar inscripionarea etichetelorsfie vizibil, lizibili corect.

La fabricarea pinii i produselor de panificaie se utilizeaznumai utilaje, materii prime,materiale, ambalaje i mijloace de transport care scorespund condiiilor de calitate i igienprevzute n standarde, caiete de sarcini, specificaii tehnice, norme sanitare i sanitar veterinare,normele legale privind protecia mediului i n alte reglementri legale specifice. Calitatea

materiilor prime, materialelor, ambalajelor, etc. se verificprin control i prin analize specificede laborator, iar recepia lor se efectueaz numai dac acestea sunt nsoite de documente deatestare a calitii.


10/71

10

1.7. Stadiul actual al tehnologiilor de fabricare a pinii

Tehnologia de preparare a pinii are ca scop furnizarea de produse digestibile, cu un nivelorganoleptic agreat de consumatori i cu valoare nutritivridicat.

Tehnologia clasicde preparare a pinii, aplicatn prezent n ara noastr, prin consumurilespecifice i legislaia tehnologicn vigoare, nu poate aduga enzime dacacestea lipsesc i nupoate inhiba sau frna procesele enzimatice prin folosirea diferitelor substane chimice, dac

acestea sunt prea intense. Pentru realizarea procesului degradativ, ea se bazeazn exclusivitatepe proprietile biologice ale bobului de gru, pe proprietile tehnologice ale finii. [GiurcV.,Danciu I., 2002]

Avnd n vedere cn cadrul tehnologiei clasice de preparare a pinii nu pot fi utilizate altemateriale n afar de fin ap sare - drojdie, singurele mijloace care rmn la dispoziiepentru a aciona asupra reaciilor enzimatice sunt: temperatura i timpul de reacie. Dac nsadugm faptul caceste doumijloace sunt dictate de procesul microbiologic, putem spune ctehnologia clasicde preparare a pinii nu poate controla i conduce n mod eficient procesuldegradativ pentru a obine aceeai stare, aceeai calitate a pinii, plecnd de la orice stare a finii.[Giurc V., Danciu I., 2002]. Toate defectele calitative care apar n lan ul de producere iindustrializare a grului, agricultur, depozitare conservare morrit, sunt puse n evidenn

procesul de panificaieProdusele de panificaie obinute n prezent la scarindustrialprezinto mare diversitate,

pentru fiecare aplicndu-se procesul tehnologic adecvat, ce cuprinde un ansamblu de faze ioperaii n urma crora materiile prime utilizate la fabricaie se transformn produs finit. [VoicuGh., 1999]

Aceste operaii presupun depozitarea materiilor prime, astfel nct s nu apar modificrinegative ale proprietilor tehnologice ale materiilor prime i auxiliare; pregtirea materialelor cuaducerea acestora la parametrii necesari utilizrii (condiionarea); prepararea aluatului n dousau trei faze, conform procesului tehnologic stabilit; prelucrarea aluatului fermentat, prindivizarea n buci a acestuia, premodelarea i modelarea bucilor de aluat, fermentarea final(dospirea), eventual condiionarea (creterea, marcarea, spoirea)bucilor; coacerea i finalizareacoacerii, cu eventuala pulverizare cu apa produselor finite pentru a mpiedica ncreirea cojii

n practic, pe baza operaiilor tehnologice expuse i a posibilitilor fiecrei unitiproductive, acestea i concep schema tehnicproprie (fig. 1.11) n care se reprezintmodul dedesfurare a fluxului tehnologic corespunztor produselor ce se doresc a fi realizate. [VoicuGh., 1999]

Malaxarea intensivi rapida aluatului este caracterizatde o malaxare mult mai energica aluatului, realizat la turaii mai mari ale braelor de malaxare i ntr-un timp mai scurt, ncomparaie cu malaxarea clasic, lent. Cunoscut i ca dezvoltarea mecanic a aluatului, eaasigur formarea acestuia, iar efectul malaxrii intensive a aluatului asupra nsuirilor luireologice are la bazmodificrile suferite de proteinele glutenice la malaxare.

Cunoaterea proceselor care au loc n aluat i a factorilor care le influeneaz a permisdezvoltarea tehnologiilor de preparare a aluatului bazate pe utilizarea frigului.Una din utilizrile frigului n panificaie este ncetinirea fermentrii aluatului prin

refrigerarea acestuia. Tehnologia preparrii pinii prin refrigerarea semifabricatelor se bazeazpe ncetinirea proceselor biochimice i microbiologice la scderea temperaturii. Astfel,activitatea enzimelor se reduce o datcu scderea temperaturii aluatului. Tehnologia preparriisemifabricatelor refrigerate se folosete pentru refrigerarea maielelor n vrac i a bucilor dealuat modelate sau parial dospite. Tehnologia presupune dou faze: rcirea i renclzireasemifabricatelor.


11/71

11

Fig. 1.11 - Schema tehnologicde preparare a pinii[GiurcV., Danciu I., 2002]

Dezvoltarea produciei i consumului de produse de panificaie a determinat schimbareaconcepiei privind procedeele tehnologice de obinere a acestora, trecndu-se de la tehnologia

clasicla tehnologia pe bazde aluat congelat. Noua tehnologie permite preluarea vrfurilor deproducie asigurnd astfel fluena acesteia, precum i posibilitatea desfacerii produselor la loculde obinere a acestora.

Tehnologia de obinere a produselor folosind aluaturi congelate prezint dezavantajul cprodusul finit se obine cu volum mai mic dect cel obinut din aluat necongelat.

Aluatul aciduscat este folosit n tehnologia directde preparare a aluatului n locul maieleidin tehnologia tradiional n scopul simplificrii procesului tehnologic i al reducerii durateiacestuia, frdiminuarea calitii pinii.

Aluatul acid este un semifabricat fermentat, uscat i mrunit pnla obinerea unei pulberiomogene. Se prepardin fini ap, fiind fermentat n mai multe etape n prezena microbioteiproprii, naturale i apoi uscat n condiii n care sse meninbacteriile lactice n stare viabil.

Se folosete fina de gru sau de secarde diferite grade de extracie. Se prezint sub formdepulbere fin, cu umiditate de circa 8%, de culoare alb(pentru fina de gru) sau uor maronie(pentru fina de secar), cu aromcaracteristic[Bordei D., 2004]

Pinea precoapteste pinea cu coacere incomplet. Ea are form i volum stabilizate icoaj parial format, care se prezintca o crust foarte subire, puin sau deloc colorat. Subaceastformpinea se comercializeaz. Ea poate fi rapid transformatn produs finit n urmacoacerii finale. Procedeul de obinere a pinii, n acest caz, presupune douoperaii de coacere: oprecoacere, care se realizeazn secia de obinere a pinii, i o coacere final, definitiv, la loculde vnzare sau la consumator. Prepararea aluatului pn la precoacere nu diferde procedeulobinuit.

FIN AP SAREDROJDIE

Condiionare Suspensionare nclzire Dizolvare

DOZARE

Pregtirematerii prime

Malaxare aluat

Fermentare aluat

Preparare aluat

Divizare aluat

Modelare aluat

Dospire aluat

Prelucrare aluat

Condiionare

Coacere aluat

Spoire

Coacere

PINE

Depozitare

Transport


12/71

12

2. CARACTERIZAREA REOLOGICA ALUATULUI DIN FINDEGRU I ECHIPAMENTELE UTILIZATE N PROCESUL DE

MALAXARE A ALUATULUI DE PENIFICAIE

2.1. Caracterizarea aluatului de panificaie

Malaxarea reprezintoperaia tehnologic n urma creia se obine, din materiile prime iauxiliare utilizate, o mas omogen de aluat, cu structur i nsuiri reologice specifice(rezisten, extensibilitate, vscozitatea, elasticitate, plasticitate). nsuirile reologice ale aluatuluiinflueneaz volumul i forma pinii, elasticitatea miezului i a cojii, meninerea prospeimii.Atunci cnd aluatul are elasticitate i extensibilitate suficient de mari, rezultpine afnat, cuvolum dezvoltat i miez avnd pori cu perei subiri. Dacaluatul este prea rezistent (tenace),pinea se obine nedezvoltat, cu miez dens, iar cnd aluatul este excesiv de extensibil, pinea seaplatizeaz, are volum redus i porozitate grosier. [Voicu, Gh. 1999]

Operaia de malaxare se realizeazn cuva malaxorului, n care materiile prime i auxiliareintroduse n doze corespunztoare se supun amestecrii, att n stadiul de prosptur, maia ct in cel de aluat propriu-zis.

Ca prim etap la fabricare a pinii, procesul de malaxare este crucial pentru calitateaproduselor finite. Formarea aluatului cu structura i proprietile reologice specifice se produce

n urma unor procese fizice, coloidale, biochimice, rolul principal avndu-l procesele fizice icoloidale.

Procesele fizicedepind de modul de amestecare a finii cu apa i comportcteva momentemai importante. n primele momente ale amestecrii, absorbia apei de ctre fin, duce laformarea unor mici aglomerri umede separate i datoritcontactului cu apa se dezvoltcldurade hidratare, de aproximativ 27 cal/g de fin. Aceasta este faza de amestecare.

Continund amestecarea se ajunge la faza de dezvoltare a aluatului, cnd micile aglomerriumede se unesc ntr-o mas uniform, de pe suprafaa creia dispare apa, i devine neted,lucioas. Acum ncep s se manifeste proprietile elastice. Timpul de dezvoltare optim aaluatului este de 225 minute, funcie de calitatea finii, apa adugat, tipul malaxoruluiutilizat.

Urmtoarea faz este aceea de stabilitate a aluatului, n care acesta i menine un timpproprietile neschimbate. Durata acestei faze este dependent, n principal, de calitatea finii.Ultima faz a malaxrii care trebuie evitat este aceea de nmuiere caracterizat prin cderea

nsuirilor reologice (elasticitatea).Procesele eseniale care au loc n aluat la malaxare i care alctuiesc baza nsuirilor lui

fizice pe care trebuie s le aib n procesul tehnologic sunt reprezentate de legarea apei i

modificarea proteinelor.Aluatul este un mediu coloidal complex care se formeazn timpul procesului de malaxare a

finii cu adaos de ap. nsuirile reologice ale aluatului, respectiv elasticitatea i extensibilitatea,se datoreazn cea mai mare parte glutenului care se formeazn timpul procesului de malaxaredin proteinele glutenice ale finii de gru. Gliadinele determin extensibilitatea glutenului ivolumul pinii, iar gluteninele determin elasticitatea glutenului i toleranta la malaxare aaluatului. [Antes, S. et. Wieser, H., 2001; Huang, D.Y. et. Khan, K., 1997; Puppo, M.C., 2005]

Aluatul din finde gru este un corp vscoelastic neliniar, care posedproprieti care suntcaracteristice att corpurilor solide ct i celor lichide, avnd un comportament intermediar ntrecorpurile solide ideale i cele fluide.


13/71

13

reveniredeformare

Deformaieremanent

Timp [min]

Deformaie

=0

Fig. 2.1Deformaia i revenirea pentru un corp vscoelastic- tensiunea aplicata ; - deformaia

n cazul aluatului supus la solicitri o parte din energie este disipat, iar alt parte estenmagazinat; dupdescrcare deformaia fiind parial recuperat(figura 2.1)

Proprietile reologice ale aluatului sunt, respectiv proprietile structural mecanice sunt:elasticitatea, vscozitatea, relaxare i fluajul. Toate aceste proprieti sunt datorate n cea maimare parte glutenului care se formeazla malaxare, dar i modului n care acesta interacioneazcu celelalte componente ale finii i ingredientele aluatului. [www.rompan.ro]

Elasticitatea este conferit de gluten, dar n special de glutenin, i const n faptul caluatul se deformeaz reversibil pn la o anumit for aplicat, dup care el se deformeazireversibil.

Aluatul prezint o elasticitate instantanee, care apare n momentul aplicrii forei, i oelasticitate ntrziat, care apare dup ndeprtarea forei. Curba tipic pentru un materialvscoelastic este reprezentat n figura 2.2, n care j reprezint raportul dintre deformaia careapare la aplicarea unei fore constante i fora aplicat, exprimat n 1/Pa. Mrimea deformaiei j

(compilaia) este n funcie de calitatea finii i este cu att mai mare cu ct faina este mai slab(figura 2.3).

Fig. 2.2 Curba tipica unui materialvscoelastic

Fig. 2.3 Curbe de deformare ale aluatului din fina degru(1-finputernic, 2- finbun, 3- finslab)

Vscozitatea reprezint proprietatea corpurilor de a se opune deformrii. Vscozitateaaluatului este o viscozitate aparent, care spre deosebire de vscozitatea lichidelor, depinde nunumai de temperatur i presiune, ci i de o serie de ali factori cum sunt viteza de forfecare,procesul la care a fost supus anterior aluatul.

Relaxarea este procesul de resorbire, de scdere a tensiunilor interne din aluat, cumeninerea formei. Resorbirea tensiunilor se face prin trecerea treptata deformaiei elastice ndeformaie plastic. Relaxarea nu are loc pnla anularea tensiunilor interne, ci pnla o limitdeterminat, care constituie limita de elasticitate sub care relaxarea nu evolueaz.

Timpul de relaxare reprezintintervalul de timp n care tensiunea din aluat se micoreazde2,7183 ori, respectiv cu baza logaritmilor naturali e=2,7183


14/71

14

Fluajuleste proprietatea unui corp de a se deforma lent i continuu sub aciunea unei sarciniconstante.

Literatura de specialitate cuprinde un volum mare de informaii cu privire la factorii careinflueneaz proprietile reologice ale aluatului. Printre factorii care determin nsuirilereologice ale aluatului, mai importani pot fi considerai urmtorii: umiditatea, presiunea,temperatura, durata de malaxare, turaia malaxorului, durata de fermentare, tipul de ingredientefolosite n aluat. [www.rompan.ro]

Aluatul se apreciazprinconsistenalui, care reprezinto proprietate reologiccomplexaacestuia, rezultat prin efectul combinat al proprietilor fundamentale de vscozitate,plasticitate, elasticitate. Aluatul se formeaz din fin, sare, ap, drojdie i alte materiale deadaos.

Consistena aluatului se poate aprecia senzorial, prin pipit, sau cu ajutorul consistometrelor(cu penetrometre de cufundare sau cu aparate de frmntare etalon farinografe). Consistenaaluatului influeneaz randamentul procesului tehnologic de panificaie i n cazul utilizriifarinografului se cuantific convenional prin uniti Brabender (1 UB = 10-3 kgf.m). Seconsider c aluatul are o consisten normal atunci cnd acesta necesit la malaxare unmoment maxim de 500UB.

Dac n timpul operaiei de malaxare se msoar momentul de torsiune se obine curba

operaiei de malaxare, reprezentatn figura 2.4.

Fig. 2.4 Variaia momentului n timp la arborele malaxorului (profilul farinogramei)

Pe profilul curbei de variaie a momentului de torsiune se disting urmtoarele poriunicaracteristice: 1 momentul la mersul n gol; 1 momentul dupintroducerea finii n cuv;

AB momentul dup introducerea apei i nceputul procesului de hidratare a finii; BC momentul n timpul procesului de malaxare a aluatului (momentul maxim); CD momentul ntimpul fazei de nmuiere a aluatului dacse prelungete malaxarea. Totodat, intervalele de timpcaracteristice procesului sunt: (t1 perioada de formare (dezvoltare) a aluatului; t2 perioada destabilitate; t3 perioada de nmuiere. [Voicu, Gh., 1999; Ghimban, R., 2000]

n timpul operaiei de malaxare, momentul rezistent la arborele braului malaxor prezintovariaie cresctoare, n prima parte, atunci cnd are loc formarea i dezvoltarea aluatului, atingndo valoare maximdincolo de consistena normal, dupcare acesta rmne aproximativ constantun anumit timp (faza de stabilitate), n funcie de caracteristicile finii. n ultima faza malaxrii(faza de nmuiere) momentul de torsiune prezinto variaie uor descresctoare, cu ct timpul demalaxare se prelungete i cu ct calitatea finii este mai slab

Alura curbelor de malaxare este, n general, aceeai nsdiferca nivele funcie de cantitateade ap adugat, calitatea finii, materialele adugate la malaxare, tipul utilajului cu care seexecutoperaia de malaxare. Pentru aceeai calitate a finii i acelai tip de malaxor, consistena

aluatului obinut, respectiv momentul, variazinvers proporional cu cantitatea de apadugatlamalaxare.


15/71

15

Umiditateareprezintunul din factorii care influeneazproprietile reologice ale aluatului.Proprietile reologice ale aluatului cresc pn la anumite valori ale coninutului de apcorespunztoare umflrii maxime a proteinelor dupcare valoarea lor scade. La o cantitate deapa n aluat insuficient, nu se atinge umflarea optima a proteinelor glutenice, aluatul obinut areelasticitate redus iar produsele au volum i porozitate insuficient dezvoltate. La exces de apaaluatul are consistena mic i rezisten slab iar produsele sunt aplatizate i cu porozitategrosiera. [Voicu, Gh., 1999; Ghimban, R., 2000]

Temperatura optim pentru aluat este de 2830C. n timpul procesului de malaxare,temperatura aluatului crete datoritpe de o parte cldurii degajate la hidratarea particulelor defin, iar pe de alparte, trecerii unei cantiti de energie mecanicn energie termic. Cretereatemperaturii peste temperatura optimduce la nrutirea elasticitii i consistenei aluatului, caurmare a creterii activitii fermentative. Scderea temperaturii sub valoarea optima acesteiamicoreazplasticitatea aluatului cu urmri negative asupra calitii produselor.

Durata malaxriireprezintun alt factor important care influeneazproprietile reologiceale aluatului. Durata malaxrii semifabricatelor variazntre 7 i 12 minute, funcie de faza defabricaie, tipul utilajului de malaxare folosit, calitatea finii i temperatur. Malaxarea cu utilajecare au o turaie ridicata braului de malaxare determino reducere a duratei de malaxare.

Malaxarea aluatului se consider terminat atunci cnd acesta este bine legat, cnd s-a

asigurat omogenizarea perfect a componenilor, o structur corespunztoare i acesta sedezlipete uor de braul i cuva malaxorului.

Turaia malaxorului influeneaz de asemenea proprietile reologice ale aluatului.Malaxarea aluatului la turaii mari ale braelor de malaxare determin dispersarea mai fin aaerului n aluat, nsoit de un contact mai intim cu componentele aluatului i de procese deoxidare mai intense. Are loc oxidarea gruprilor tiol i a pigmenilor carotenoidici.

Durata de fermentare (perioada de relaxare) depinde de procesul tehnologic ales.Proprietile reologice obinute la sfritul fermentrii trebuie s permit aluatului o reinerebuna gazelor de fermentare.

2.2. Stabilirea caracteristicilor energetice ale procesului de malaxare

Pornind de la curba operaiei de frmntare (figura 2.4) i de la expresiile puterii, pentru oturaie constant n (rot./min) a braului de malaxare, se pot calcula puterea maxim Pmax iputerea medie Pmla malaxarea aluatului: [Voicu, Gh., 1999]]

30maxmaxn

MP

= ;30

nMP mm

= (2.10)

Momentul de rotaie mediu Mmse obine raportnd aria S de sub curbfarinograficla durataprocesului tf:

fm

t

SM = (2.11)

unde: tf = t1 + t2 durata de malaxare (corespunztor sfritului fazei de stabilitate), iar

=2

0

t

t

dtMS (care se determinprin planimetrare).

Energia consumatn procesul de frmntare (Ef) se obine cu relaia:

55,930

nSt

nMtPE fmfmf

===

(2.12)

Pentru o turaie constant(n = const.), energia consumatdepinde numai de aria suprafeeide sub curbS: Ef=f(S), fiind direct proporionalcu S.

Energia specificla malaxare Esp, se determinfcnd raportul ntre energia consumatEfimasa aluatului malaxat:


16/71

16

Al

EE fsp = [J/kg] (2.13)

Literatura de specialitate prezintpentru energia specificde malaxare valori ntre 1050J/g, evalundu-se cn practicmalaxarea se terminn momentul n care aluatul s-a dezvoltatcomplet.

Coeficientul de consistencare realizeazcorelaia ntre valoarea consistenei i momentul

rezistent la braul malaxorului se poate determina din relaia:

max

5.0

Mk= (2.14)

unde: 0.5 reprezint consistena normal, n daNm, iar Mmax momentul rezistent maxim,exprimat n aceleai uniti de msur.

Astfel, puterea necesarantrenrii braului de malaxare se calculeazcu relaia:

[ ]WPPPP fdh ++= , (2.15)

unde: Phreprezintputerea pentru ridicarea aluatului;Pdeste puterea necesardesprinderii aluatului de pe pereii cuvei;

Pfreprezintputerea necesarpentru ruperea (forfecarea) aluatului;[ ]WrSCSGkkP rrpcgs ++= max , (2.16)

unde: ks - este un coeficient de simultaneitate a aciunii braului de malaxare asupra aluatului(ks=0,50,7); kg - este coeficientul centrului de greutate al aluatului (kg=0,7); G - foragravitaional a aluatului, n [N]; rmax - raza maxim a braului de malaxare, n [m]; Spc suprafaa peretelui cuvei de pe care se desprinde aluatul, n [m2]; Sr suprafaa de rupere aaluatului, n [m2]; C fora de adeziune a aluatului la pereii cuvei ( 25 /105 mNCr = ); r

tensiunea de rupere a aluatului ( 25 /104 mNr = ), iar este viteza unghiular.

Pentru determinarea vitezelor periferice ale braului de malaxare, se cunosc turaiileacestuia, iar calcului va fi efectuat mai nti pentru treapta rapid, iar apoi pentru treapta lent.Schema cinematica malaxorului pentru care se efectueazcalculul este cea prezentat n

figura 2.9.

Fig. 2.9 Schema cinematicMalaxor SL 50

tiind c3060

2 nn == i =Rv , rezult

30

nRv

= .

Astfel pentru n=90 rot/min, viteza periferic exterioar a braului va fi:

smv /153.030

9014.31025.16 3

90

=

=

( 142.9 = s ), iar pentru n=180 rot/min, aceasta va avea


17/71

17

valoarea: smv /361.030

18014.31025.16 3180 =

=

, ( 184.18 = s ), unde reprezint viteza

unghiular.

2.3. Echipamente utilizate la malaxarea aluaturilor n industriapanificaiei

Malaxoarele clasice nu pot fi utilizate n tehnologia dezvoltrii mecanice a aluatului. Efectulunui malaxor cu aciune rapid nu poate fi obinut cu ajutorul unui malaxor cu aciune lent,chiar dac acesta funcioneaz un timp suficient de lung pentru ca aluatului s i se transmitaceeai cantitate de energie, deoarece, n afarde cantitatea de energie, este foarte importantiviteza de efectuare a operaiei.

n prezent exist diferite tipuri de malaxoare care sunt utilizate n industria panificaiei.Astfel malaxoarele pot fi clasificate conform figurii 2.10.

Fig.2.10 Clasificarea malaxoarelor folosite n industria panificaiei

Malaxoare cu cuvfix

Prile malaxorului cu braspiral model Silver 60280(figura 2.19) care intrn contact cualuatul (cuva, braul spiral i axul opritor) sunt confecionate din oel inoxidabil, malaxorulprezentnd doumotoare electrice, att pentru rotirea cuvei, ct i pentru rotirea braului spiral,avnd o rezerva mare de putere

Fig. 2.19Malaxorul cu braspiral Silver60280

Fig. 2.20Malaxorul cu braspiral Greenline50120

Malaxorul cu bra spiral Greenline 50120 (figura 2.20) are un singur motor electric(pentru rotirea cuvei

i rotirea bra

ului spiral) cu randament ridicat

i fiabilitate sigur

n timp.

Cuva i braul spiral au douviteze de rotaie, plus sens invers de rotaie n prima vitez. Panoulde comandare 2 temporizatoare digitale, iar trecerea dintr-o vitezn alta se face automat. Dup

MMaallaaxxooaarree

MMaallaaxxooaarreeccuuaacciiuunneeccoonnttiinnuu MMaallaaxxooaarreeccuuaacciiuunneeddiissccoonnttiinnuu

CCoommbbiinnaatteeCCuuppaalleettee CCuuvvttrraannssppoorrttaabbiillCCuuvvnneettrraannssppoorrttaabbiill

CCuurroottiirreelliibbeerrFFiixx

CCuurroottiirreeffoorraattaaccuuvveeii

CCuuoosscciillaarreeaaddiissppoozziittiivvuulluuiiddee

lluuccrruunnppllaann

CCuuttrraaiieeccttoorriiaaddiissppoozziittiivvuulluuiiddeelluuccrruu

ccoommppuuss,,nnssppaaiiuu

CCuuaaxxaaddeerroottaaiieeaa ddiissppoozziittiivvuulluuii

ddeelluuccrruunncclliinnaatt

CCuuaaxxaaddeerroottaaiieeaa ddiissppoozziittiivvuulluuii

ddeelluuccrruuvveerrttiiccaall

CCuuaaxxaaddeerroottaaiieeaaddiissppoozziittiivvuulluuii

ddeelluuccrruuoorriizzoonnttaall


18/71

18

expirarea timpului de malaxare, pentru o mai uoar extracie a aluatului, cuva se poate rotiindependent fade braul spiral. Malaxorul este montate pe roi.

Malaxoarele cu cuvfix- linia SLsunt special destinate pentru aluaturi cu densitate mare.

Fig. 2.21Malaxorul cucuvfix- linia SL

Fig. 2.22Malaxorul cu braspiral i cuvextractibil

Gostol SMH N

Fig. 2.23Malaxorul cubraspiral

Acest tip de malaxor garanteaz o rezerv mare de putere - datorit celor dou motoareelectrice cu care este dotat, unul pentru rotirea cuvei i al doilea pentru rotirea braului spiral.

Braul spiral are douviteze de rotaie: viteza I - 90 rotaii/minut i viteza II - 180 rotaii/minut,trecerea dintr-o vitez n alta realizndu-se n mod automat. Malaxorul este dotat cu doutemporizatore cu afiaj electronic ce permit oprirea malaxorului dup expirarea timpului demalaxare programat.

Malaxoare cu braspiral i cuvextractibil

Malaxoarele cu braspiral i cuvextractibilGostol SMH N, Slovenia(figura 2.22) dispunde douviteze de rotaie, temporizator pentru fiecare vitezi trecere automatde la o vitezlacea de a doua. Fixarea cuvei se face prin intermediul unui puternic electromagnet, avndavantajul eliminrii prilor mecanice supuse uzurii n timp.

Malaxoare cu bradublu spiral(figura 2.23) sunt utilizate n industria panificaiei, acestea

avnd o serie de avantaje, printre care putem aminti: creterea capacitii de hidratare a finii(scade astfel consumul de fin); obinerea de produse cu porozitate fin i uniform, timp demalaxare redus (4-6 minute de malaxare n comparaie cu 10-12 minute de malaxare la unmalaxor cu o singurspir).

Malaxor autorsturntor cu cuvfix

Fig. 2.24Malaxorul autorsturntor cu cuvfixSAU

n cazul malaxorului autorsturntor cu cuvfixSAU (figura 2.24) descrcarea aluatului sepoate face att direct n plnia de alimentare a mainii de divizat ct i pe masa de lucru.

Operaia de malaxare realizat n oricare dintre malaxoarele prezentate, este caracterizatprin exercitarea unor aciuni complexe din partea dispozitivului de malaxare asupra aluatului.Datorit consistenei mrite a aluaturilor, dispozitivul de malaxare, cu dispunere central sau

excentric, provoacantrenarea aluatului numai n zona lui de activitate, n apropierea pereilorcuvei existnd posibilitatea apariiei unor zone din care aluatul nu se deplaseaz.


19/71

19

3. NECESITATEA I OBIECTIVELE LUCRRII DE DOCTORAT

3.1. Necesitatea lucrrii

Malaxarea este o operaie fundamental n tehnologia panificaiei. Rolul ei const nobinerea unui aluat omogen, legat, nelipicios, tenace, elastic i extensibil. Aceste caracteristiciale aluatului depind de calitatea finii, cantitatea de ap adugat, aerul inclus i condiiile demalaxare. Dezvoltarea mecanica aluatului se obine atunci cnd, la malaxare, aluatul este supusunui regim cinematic i dinamic optim.

Viteza cu care se consum energia transmis aluatului la malaxare este influenat deconsistena aluatului.

3.2. Obiectivele lucrrii

Obiectivul general al tezei de doctorat const n optimizarea energetic a procesului

tehnologic de malaxare a aluatului de panificaie. Pentru ndeplinirea obiectivului principaleste necesarparcurgerea i rezolvarea urmtoarelor obiective subsidiare:

realizarea unui studiu privind importana pinii n alimentaie, materiile prime iauxiliare ce pot fi utilizate i condiiile de calitate pe care acestea trebuie sle ndeplineasc;

analiza stadiului actual al tehnologiilor folosite pentru obinerea produselor depanificaie;

evaluarea teoretic a parametrilor care caracterizeaz comportarea reologic aaluaturilor, precum i identificarea factorilor ce influeneazconsumul de energie n procesul demalaxare a aluatului;

analiza stadiului actual al cercetrilor i realizrilor n domeniul echipamentelor

pentru malaxarea aluatului; modelarea i simularea dinamicii aluatului de pine, ca sistem reologic complex, imodelarea matematic a comportrii aluatului la malaxare prin utilizarea de programespecializate, urmate de interpretarea rezultatelor obinute;

ntocmirea unei metodici de lucru, stabilirea obiectivelor pentru cercetareaexperimentala dinamicii aluatului de pine i analiza consumului de energie a echipamentelor

pentru malaxarea aluaturilor cu compoziii i consistene diferite; stabilirea unor concluzii referitoare la consumul de energie utilizat n procesul de

malaxarei a posibilitilor de reducere a acestuia; indicarea direciilor viitoare de cercetare legate de aceasttem.

Pentru rezolvarea ct mai complet i la un nivel tiinific i tehnic corespunztor acerinelor lucrrii de doctorat, s-a conceput un program general al cercetrilor teoretice iexperimentale, prezentat n figura 3.1.

Programul de lucru urmrete realizarea modelului reologic al sistemului analizat aluatulde panificaie. Acest program trebuie s fie capabil de a analiza optimizarea consumuluienergetic prin corelarea rezultatelor cercetrii experimentale cu cele rezultate din modelulmatematic.


20/71

20

Fig. 3.1Programul cercetrilor teoretice i experimentale

4. MODELAREA I SIMULAREA DINAMICII ALUATULUI I APROCESULUI DE MALAXARE A ACESTUIA

Prelucrarea mecanic a aluatului influeneaz considerabil nsuirile acestuia i implicitcalitatea produsului finit. Prelucrarea mecanicamplificviteza proceselor care se petrec n aluati care determin maturizarea acestuia, fiind unul dintre mijloacele principale de reglare a

nsuirilor acestuia. [Bordei, D., 2005]Aluatul se comportasemenea unui fluid vscoelastic, disipnd numai o parte din energia

care i se furnizeaz(componenta vscoas). n timpul prelucrrii mecanice, la malaxare, o altparte din energie se conserv(componenta elastic).

Caracterizarea reologica aluatului este dificildatoritcomportamentului su vscoelasticneliniar, iar n acest scop pot fi utilizate modele de complexitate mai redus.

4.1. Modele reologice vscoelastice

Malaxarea aluatului de panificaie prezinto dinamicdeosebit de complex, motiv pentrucare, considerarea simultana tuturor factorilor de influenar duce la o formulare matematiccomplicat. De aceea, fenomenele care au loc n aluat sunt analizate prin ipoteze simplificatoarecu eliminarea factorilor mai puin importani i pstrarea numai a acelora cu rol determinant.Aceastabordare permite realizarea unor modele teoretice.

Sistemele reologice sunt utilizate n prezent n diverse domenii inginereti. Comportarea loreste caracterizat de existena unui timp de reacie sau de ntrziere ntre momentul aplicriiforei i rspunsul sistemului. Aceste elemente pot fi expuse cu ajutorul modelelor reologicecare

Studierea stadiului actual al tehnologiilor utilizate pentruobinerea pinii

Studiul comportrii reologice a aluaturilor de panificaie

Analiza stadiului actual al echipamentelor utilizate lamalaxarea aluatului de panificaie

Identificarea mrimilor ce caracterizeazconsumul deenergie n procesul de malaxare

Modelarea i simularea dinamicii sistemului reologic aluati modelarea comportrii aluatului la malaxare

Cercetarea experimentala dinamicii aluatului i aconsumului de energie n procesul de malaxare pentruobinerea acestuia

Analiza i compararea rezultatelor teoretice i experimentalen vederea optimizrii procesului tehnologic de malaxare a

Optimizar


21/71

21

sunt constituite prin diferite combinaii ale modelelor liniare elastice i vscoase: Hooke iNewton. Acestea se utilizeazpentru a studia comportarea sistemelor reologice reale.

Modelul reologic este o expresie matematicntre solicitare, rspuns i proprieti sau maiprecis ntre tensiuni, deformaii sau viteza de deformare i coeficienii de material.

Caracterizarea cantitativa proprietilor reologice ale aluaturilor de panificaie este dificiltocmai datoritcomportamentului vscoelastic neliniar al acestuia. [Marin, C., 2010]

n funcie de tipul de solicitare la care este supus modelul, lucrarea i propune studierea

comportrii sistemului aluat pentru urmtoarele cazuri particulare: fluajul acestuia sau solicitareacu o forconstantde tip treapt; descrcarea dup fluaj; relaxarea forei sau solicitarea cu osarcin ce variaz astfel nct deformaia s rmn constant; anularea deformaiei duprelaxare; solicitarea cu sarcinarmonic; solicitarea cu impulsuri dreptunghiulare.

4.2. Studiul fluajului i descrcarea dupfluaj a sistemelor reologice

Mediul continuu vscoelastic ideal prezint att proprieti elastice ct i proprietivscoase ce caracterizeazi comportarea unor materiale reale cum ar fi aluaturile de panificaie.Aceste proprieti se pot pune n evidenprin experienelede fluaj i descrcarea dupfluaj.

Fluajul este fenomenul de cretere lent, progresiv a deformaiilor mediului vscoelastic

atunci cnd asupra mostrei se aplico sarcinconstantcare produce n material o tensiune dentindere 0. Sub aciunea acestei sarcini se produce n primul moment o deformaie elasticinstantanee 1, dup care are loc o deformaie plastic ce tinde n timp spre o valoare limit

E/00 = numitdeformaie ntrziat(fig.4.1).

Descrcarea dupfluaj este fenomenul care se produce dupo experiende fluaj, cnd nmaterial s-a produs deformaia specific 2, cnd nceteaz aciunea sarcinii exterioare.Fenomenul descrcrii dupfluaj const ntr-o revenire elasticinstantanee n primul momenturmat de o deformaie plastic permanent care tinde asimptotic spre o valoare 3, numitdeformaie remanent(fig.4.1).

Fig.4.1Diagrama de fluaji descrcare dupfluaj [Marin, C., 2010]

4.3. Relaxarea forei i anularea deformaiei duprelaxare

Fenomenul derelaxare a forei constn scderea progresiva sarcinii aplicate mostrei dealuat, respectiv a tensiunii de ntindere , dup ce aceasta a suferit o anumit deformaiespecific2, n scopul pstrrii constante a acestei deformaii (fig.4.2).


22/71

22

Fig.4.2Diagrama de relaxare i anularea deformaiei duprelaxare [Marin, C., 2010]

Anulareadeformaiei duprelaxareeste fenomenul care se produce la schimbarea sensuluisarcinii aplicate, respectiv a tensiunii (din pozitiv aceasta devine negativ). Dup inversareasensului tensiunii n primul moment are loc o revenire elastic instantanee, dup care, subaciunea sarcinii negative deformaia scade progresiv trecnd prin zero spre valori negative. nmomentul n care deformaia negativeste egalca valoare cu deformaia elasticinstantanee

corespunztoare revenirii elastice, se anuleaz tensiunea negativ -2, elementul revenind la odeformaie specificnul(fig. 4.2).

Proprietile vscoelastice de fluaj i relaxare ale aluaturilor de panificaie sunt influenate nmod hotrtor de temperatur.

4.4. Modelul liniar elastic Hooke

Legea de comportare a unui mediu liniar elastic corespunztoare modelului Hooke aratcn cazul unei experiene de fluaj sau o ncrcare cu un semnal de tip treaptavnd tensiunea 0seproduce instantaneuo deformaie specific0conform relaiei: [Steffe, G., 1996]

E/00 = , (4.1)n care Eeste modulul de elasticitate longitudinal.

La anularea sarcinii exterioare are loc o revenire elasticinstantanee cu aceeai valoare adeformaiei =0/E (fig. 4.3). Modelul liniar elastic Hooke rspunde imediat la semnalul aplicatprintr-o valoare a deformaiei, proporionalcu aceasta.

n cazul ncrcrii cu un semnal de tip treaptnegativ -0se produce o deformaie elasticinstantanee negativ: =-0/E.

n cazul ncrcrii cu un semnal armonic, rspunsul este o deformaie armonicproporionalcu semnalul, de aceeai pulsaie i n fazcu acesta. Modelul Hooke nu producedefazaj ntre ncrcare i rspuns. [43; 45]

Fig.4.3 Comportarea modelului Hooke la o ncrcare de tip treapti descrcare[Marin, C.,2010]


23/71

23

4.5. Modelul liniar vscos Newton

Modelul liniar vscos Newton supus unei experiene de fluaj arat o lege liniar decomportare la un semnal de tip treapt, datorit proporionalitii ntre viteza de variaie adeformaiei specifice & i tensiunea corespunztoare:

1

=& , (4.2)

n care este coeficientul de vscozitate al modelului Newton.Prin integrarea ecuaiei difereniale (4.2), cu dererminarea constantei de integrare C, din

condiii iniiale, se obine relaia liniarreprezentatn figura 4.4:

ttdttCtt

0

0

)()(1

)( =+= (4.3)

Fig.4.4 Comportarea modelului liniar vscos Newton la un semnal de tip treapti ladescrcare [Marin, C., 2010]

La anularea sarcinii exterioare nu mai au loc nici un fel de deformaii, deformaia 1=0/Epstrndu-i valoarea (fig.4.3). Modelul liniar vscos Newton nu rspunde imediat la semnalulaplicat, ci treptat dupo lege liniar. n cazul ncrcrii cu un semnal de tip treaptnegativ -0seproduc deformaii plastice n sens negativ, conform relaiei (4.3): /)( 01 tt = . n cazul

ncrcrii cu un semnal armonic, rspunsul este o deformaie armonic proporional cusemnalul, de aceeai pulsaie dar defazat cu /2. Dac se aplic o sarcin armonic

t sin0= , conform relaiei (4.3) se obine urmtorul rspuns:

+==+= 2

sin)(cossin1

)( 000

0

0

0

ttttdtt

t

(4.4)

Pentru studiul comportrii materialelorde tip vscoelastic (ex. aluatul de pine)se folosescdiferite modele reologice avnd la bazmodele liniare prezentate, a cror legi de comportaresunt caracterizate de ecuaii difereniale ordinare cu coeficieni constani care se pot scrie subformgeneralastfel:

...aaa...bbb +++=+++ &&&&&& 210210 (4.5)

Simularea dinamicii sistemului aluat se face n continuare pentru urmtoarele modele:Kelvin- Voigt, Maxwell i Burgers, utiliznd mediul de programare MATLAB Simulink.

4.6. Modelul matematic vscoelastic Kelvin-Voigt

Modelul vscoelastic Kelvin-Voigt este un model folosit frecvent n modelarea i simulareadinamicii sistemelor reologice, fiind format dintr-un element liniar elastic Hooke i un element


24/71

24

de amortizare vscoasde tip Newton, legate n paralel ca n figura 4.9. Acest model posed elasticitate amortizat. [Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.9Modelul vscoelastic Kelvin-VoigtPentru a deduce ecuaia diferenial a modelului vscoelastic Kelvin-Voigt se observ c

deformaia celor dou elemente este aceeai, iar tensiunea este egal cu suma tensiunilorcorespunztoare celor douelemente:

=+== ckck ; , (4.6)

n care:

cc

kk E

== &; conform relaiilor (4.1) i (4.2).

nlocuind relaiile (4.1) i (4.2) n (4.6) se obine ecuaia diferenial a modelului Kelvin-Voigt:

&+= E ( )tE

11=+& , (4.7)

unde s-a notat cu E/ = timpul de ntrziere al modeluluiKelvin-Voigt (parametru intrinsecale mediului vscoelastic, direct proporional cu coeficientul de amortizare vscoas).

Ecuaia diferenial(4.7) are soluia generalde forma:

( )( ) ( )

( )t

dtttE

Ct

+=

1

, (4.8)

n care: ( )

t

edtt =

= 1exp , (4.9)

iar Ceste o constantcare se determindin condiiile iniiale.

nlocuind expresia (4.9) n soluia (4.8) rezultsoluia generala modelului Kelvin-Voigt,valabilpentru orice tip de sarcinaplicat(t):

( ) ( )

tt s

edsesE

Ct

+=

0

1 (4.10)

n continuare este prezentat dinamica modelului Kelvin-Voigt pentru diferite cazuri de

ncrcare prezentate la paragraful 4.1.


25/71

25

n figurile 4.12.a,b se prezint schema bloc i rezultatele obinute folosind programulSIMULINK.

Fig. 4.12.a. Schema bloc SIMULINK pentru fluaj i descrcarea dupfluaj

f1 t( ) 0.09 8 exp t( ):= f1 4( ) 1.79 5 103

=

0 1 2 3 40

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

f1 t( )

t

Fig. 4.11 Simularea comportrii la descrcarea dupfluaj pentru modelul Kelvin-Voigt

f1 t( ) 0.1 1 exp t( )( ):= f1 4( ) 0.098=

0 1 2 3 40

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

f1 t( )

t

Fig. 4.10 Simularea comportrii la fluaj pentru modelul Kelvin-Voigt


26/71

26

Fig. 4.12.b.Rspunsul modelului la fluaj i descrcarea dupfluaj

Comportarea la fluaj i la descrcarea dupfluaj a modelului Kelvin-Voigt (figura 4.12b) nuindicdeformaii elastice instantanee, indicnd o variaie asimptoticspre o valoare de echilibru.

f1 t( ) sin 10t( ):=

f2 t( ) 2 exp t( )10

1 100+ sin 10t( ) 10 cos 10t( )( )+:=

0 1 2 3 41

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

f1 t( )

f2 t( )

t

Fig. 4.15 Simularea ncrcrii armonice


Fig. 4.16.a. Schema bloc SIMULUNK pentru simularea ncrcrii cu o sarcinarmonic


27/71

27

Fig. 4.16.b.Rspunsul modelului la simularea ncrcrii cu o sarcinarmonic

Comportarea la aciunea unor sarcini armonice a modelului Kelvin-Voigt aratun defazajntre sarcina armonicaplicati rspunsul armonic n regim staionar, modelul putnd fi astfelfolosit pentru descrierea comportrii aluatului, datoritlipsei componentei de deformare elasticiniial.

4.7. Modelul matematic vscoelastic Maxwell

Modelul vscoelastic Maxwel este un model format dintr-un element liniar elastic Hooke iun element liniar vscos Newton legate n serie ca n figura 4.23, care permite interpretareacurbelor de relaxare a tensiunii. [Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.23.Modelul vscoelastic Maxwell

Pentru a deduce ecuaia difereniala modelului vscoelastic Maxwel se observdin figura4.23 ctensiunea n cele douelemente are aceeai valoare iar deformaia totaleste egalcusuma deformaiilor celor douelemente:

cccc

kkkk

ckck

kc

EE

==

==

+=+=

==

&&

&&

&&&

(4.45)

Eliminnd ck si se obine relaia difereniala modelului Maxwel:

+=+=

11&&

&&

EE, (4.46)

unde s-a notat: E/= timpul de ntrziereal modelului.Soluia ecuaiei diferenial(4.46) se obine prin integrare direct:

( ) ( )

( )

++= dt

t

tECt

&

1

, (4.47)

n care C este o constantde integrare care se determindin condiiile iniiale:


28/71

28

t=0 ( ) 00 = (4.48)

Soluia (4.47) este valabilpentru orice tip de sarcinaplicat(t).Pentru cazul particular al aplicrii unei sarcini de tip treapt ( ) 0 =t , soluia (4.47) devine:

( ) ( )

E

ttCt

00

+= , (4.49)

n care constanta Cse determindin condiia iniialla t0.La aplicarea sarcinii constante de tip treapt ( ) 0 =t datoritelementului Hooke, modelul

Maxwell sufero deformaie instantanee egalcu:

E0

0

= (4.50)

nlocuind n relaia (4.49) se obine constanta de integrare:

EC 0

= (4.51)

nlocuind constanta C soluia (4.49) pentru fluaj devine:

( )

+=

00 1

tt

Et (4.52)

Soluia (4.52) este o funcie liniaravnd forma din figura 4.24.n figurile 4.25.a,b se prezint schema bloc i rezultatele obinute folosind programul

SIMULINK .

Fig. 4.25.a. Schema bloc SIMULINK pentru fluaj i descrcarea dupfluaj pentru modelulMaxwell

Fig. 4.25.b.Rspunsul modelului Maxwell la fluaj i descrcarea dupfluaj


29/71

29

n cazul unei sarcini armonice de forma:

( ) tt sin0= (4.63)

soluia (4.47) devine:

( ) dtt

tE

tt

++=

0

00

sincos

(4.64)

Efectund integrala din relaia (4.57) se obine:

( )

( ) ( )022

00

00

sin1

cossin

+

+=

+=

tE

t

tt

Et

(4.65)

Defazajul 0ntre sarcina aplicati rspunsul modelului este:

10 =tg (4.66)

Pentru cazul particular 0=2, 10 = , 100 =

E

, =10 i =1 soluia (4.65) i sarcina

armonicaplicat(4.63) au forma din figura 4.29.Defazajul depinde de pulsaia sarcinii armonice aplicate ct i de timpul de ntrziere .

Pentru valorile numerice de mai sus rezult:

)71,5(1,0)/1( 00 radarctg == (4.67)

f1 t( ) sin 10t( ):=

f2 t( ) 2 10 sin 10 t( )1

10cos 10 t( )

+:=

0 0.5 1 1.5 210

5

0

5

10

15

f1 t( )

f2 t( )

t

Fig. 4.29 Simularea ncrcrii cu o sarcinarmonic


Fig. 4.30.a. Schema bloc pentru simularea ncrcrii cu o sarcinarmonic


30/71

30

Fig. 4.30.b.Rspunsul modelului la ncrcarea cu o sarcinarmonic

4.8. Modelul matematic vscoelastic Burgers

Modelul vscoelastic Burgers este un model folosit n modelarea i simularea dinamicii

aluaturilor, obinut prin legarea n serie a unui model Kelvin-Voigt i un model Maxwell (figura4.35). Prezena unui amortizor liber, a unui arc liber i a unui cuplu format dintr-un arc i unamortizor, confer corpului viscozitate, elasticitate instantanee, i elasticitate ntrziat.[Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.35Modelul vscoelastic BurgersPentru a deduce ecuaia difereniala modelului vscoelastic Burgers se observdin figura

4.35 c tensiunea n cele dou elemente Kelvin-Voigt i Maxwell are aceeai valoare iardeformaia totaleste egalcu suma deformaiilor elementelor:

1111111

221221

1

11

1

11111

2

22

2

22221

221

;;

;;

;

&

&&&&&&&

&

&

+=+=

++=++=

====

==++=

===

E

E

E

E

ck

ck

cc

kkck

cc

kkck

kc

(4.81)

Eliminnd pe 1din cele dourelaii se obine o ecuaie diferenialde ordinul al II lea cucoeficieni constani neomogen:

2

1

2

1

2

1

2

111 1

E

E

E

EE +

+++=+ &&&&&& (4.82)

Soluia ecuaiei (4.82) este de forma:( ) ( ) ( )ttt pom += , (4.83)


31/71

31

n care: 11

21)(

E

om eCCt

+= este soluia ecuaiei omogene; ( )tp este o soluie particular a

ecuaiei difereniale, iar C1iC2constante care se determin din condiiile iniiale ale funciei( )t .

Pentru cazul particular al unei sarcini constante de tip treapt ( ) 0 =t soluia (4.83)devine:

( ) teCCttE

2

021

1

1

++=

(4.84)

Constantele C1i C2se determindin condiia la momentul iniial:

0)0()0(2

0 ==

&siE

(4.85)

nlocuind n (4.84) rezultconstantele C1iC2:

2

1

1

02

1

2

2

1

2

01 ;1

E

C

E

E

E

C =

= (4.86)

nlocuind constantele C1iC2n expresia (4.84) a soluiei se obine:

( ) teEE

tt

E

2

0

2

1

1

0

2

0 1

1

1

+

=

(4.87)

Se obine o curbexponenialcare admite o asimptotde ecuaie:

( ) tE

E

Ety

2

0

2

1

1

2

2

0 1

+

= (4.88)

Pentru cazul particular al valorilor parametrilor: 100 = , E1=10, E2 =5 , 1=10, 2=2

soluia datde relaia (4.87) i asimptota (4.88) au forma din figura 4.36.Dup un timpt1=2sse obine o deformaia:

677.71 12

0

2

1

1

0

2

01

11

1

=+

=

teEE

tE

(4.89)

Fig. 4.36Rspunsul la fluaj al modelului Burgers


32/71

32

n figura 4.37.b se prezintrezultatele obinute folosind programul SIMULINK.

Fig. 4.37.b.Rezultatul simulrii fluajului pentru modelul Burgersn cazul descrcrii dupfluaj a modelului Burgers, dacdupfluaj s-a obinut deformaia

1 , n cazul unei sarcini nule nlocuind n ecuaia diferenial(4.82) ( ) 0=t se obine ecuaiadiferenialde ordinul al doilea omogen:

011 =+ E &&& (4.90)

avnd soluia de forma: ( )t

E

eCCt 11

21

+= (4.91)Constantele C1iC2se determindin condiia la momentul iniial:

2

01 )()0(

== si (4.92)

Rezult:2

012

2

01 ;

== CC (4.93)

nlocuind Constantele C1iC2n soluia (4.91) se obine:

( )t

Et

E

eet 11

11

12

0 1

+

= (4.94)

Pentru cazul particular 100 = , E1=10, E2=5, 1=10, 2=2soluia datde relaia (4.94)

are forma din figura 4.38.

Fig. 4.38Rspunsul la descrcarea dupfluaj a modelului Burgersn figura 4.39.b se prezintrezultatele obinute folosind programul SIMULINK.


33/71

33

Fig. 4.39.b.Rezultatul simulrii descrcrii dupfluajul modelului Burgers

Comportarea la fluaj i la descrcarea dup fluaj a modelului Burgers indic deformaiielastice instantanee i o variaie asimptoticasemenea modelului Maxwell.

Dacn modelul Burgers s-a produs deformaia remanent1i dacse menine constantaceast deformaie ( )0,0 == &&& , atunci tensiunea scade exponenial conform ecuaiei (4.82)care devine:

012

1

2

1

2

1

2

1 =+

+++

E

E

E

E &&& (4.95)

Astfel se obine soluia de forma:trtr eCeCt 21 21)(

+= , (4.96)

n care: r1i r2sunt rdcinile ecuaiei caracteristice:

012

1

2

1

2

1

2

12 =+

+++

E

E

Er

Er (4.97)

C1i C2sunt constante care se determindin condiiile iniiale:

00)0(

)0(

2211

0210

==

=+=

CrCr

CC

& (4.98)

Rezultsoluia de forma: ( )trtr ererrr

t 21 1212

0)(

=

(4.99)

Pentru cazul particular 100 = , E1=10, E2=5, 1=10, 2=2soluia este de forma:

( ) ( ) ( ) ( )[ ]tt eet 65.0265.02 65.0265.026

10)( + += (4.100)

i este reprezentatn figura 4.40.


34/71

34

Fig. 4.40Rspunsul la relaxare a modelului Burgers

n figura 4.41.b se prezintrezultatele obinute folosind programul SIMULINK.

Fig. 4.41.b. Rezultatul simulrii relaxrii modelului Burgers

Comportarea la relaxare a modelului Burgersaratcaceasta se produce sub aciunea uneisarcini ce scade asimptotic spre zero.

4.9. Simularea procesului de malaxare a aluatului folosind metodenumerice

Utilizarea fluidelor non-newtonian cu vscozitate crescuteste frecvent n multe operaiiindustriale, n special, n procesele de malaxare. Aceste fluide au adesea proprieti reologicecomplexe, care pot crete costurile de operare. Vscozitatea este una dintre cele mai importanteproprieti ale aluatului, proprieti reologice care variazn timp. Aluatul de pine prezintuncomportament vscoelastic complex. La scar macroscopic, acesta este un mediu continuu

omogen, a crui comportare reologiceste vscoelastic, i depinde de coninutul de umiditate itemperatur. La o scara microscopic, comportarea aluatului depinde de interaciunile ntrecomponente, fin, ap, drojdie.

Amestecarea diferitelor ingrediente trebuie sconfere aluatului omogenitate, fiind o operaiecrucial n industria de panificaie, prin care fin de gru, apa, precum i ingredientelesuplimentare, sunt modificate prin fluxul de energie mecanic n aluat legat. Proprietilealuatului sunt puternic influenate de modul de amestecare a componentelor.

Dimensiunile spaiului de amestecare i cantitatea de material malaxat joac un rolimportant n formarea aluatului i influeneazproprietile acestuia.

Acest studiu abordeaz simularea numeric tridimensional a malaxrii aluatului depanificaie ntr-un malaxor cu bra elicoidal i cuv fix model SILVER 50, cu scopul de adezvolta o tehnologie avansatpentru modelarea procesului de malaxare a aluatului, i pentru aputea oferi o capacitate de predicie a parametrilor optimi de proiectare a acestui tip de malaxor.Malaxorul Silver 50 prezint un bra elicoidal amplasat excentric fa de cuva de malaxare.


35/71

35

Braul de malaxare spiral are o micare de rotaie n jurul unei axe verticale proprii, n interiorulcuvei malaxorului, ntr-o orientare vertical, ntreg ansamblul fiind amplasat ntr-un sistemcartezian tridimensional. Studiul a fost realizat pentru cazul n care cuva malaxorului esteumplutla capacitatea maxim.

Micarea fiecrei particule de aluat poate fi descris printr-un sistem explicit de ecuaiiEuleriene. Procedura de simulare abordeaz rezolvarea numeric a ecuaiilor Navier-Stokes nformgeneral, pentru fluide incompresibile.

n acest studiu este aplicat un pachet CFD (Computational Fluid Dynamics), pentru aconstrui modelul de calcul i pentru estimarea rezultatelor.Procesul de modelare CFD (fig. 4.42) n vederea mbuntirii performanei unui sistem

poate fi divizat n patru etape de baz: modelarea geometriei, definirea fizic a modelului,rezolvarea modelului numeric i postprocesarea datelor obinute [He i alii, 1999; Dyakowski ialii, 1993; Nowakowski i alii, 2000].

Fig. 4.42 Etapele modelarii CFD

Modelele riguroase fenomenologic n dinamica fluidelor au la baz trei componenteprincipale: bilanul de masdescris de ecuaia de continuitate, conservarea impulsului descris deecuaiile Navier-Stokes i efectul turbulenei.

Rezolvarea ecuaiei de continuitate i a ecuaiilor Navier-Stokes pentru curgereaneturbulentpoate fi efectuatastzi pentru modele geometrice simple sau complexe cu ajutorultehnologiilor de calcul. Pentru numere Reynolds mari tehnica de calcul obinuit ntmpindificulti n obinerea soluiilor pentru vitezele instantanee sau pentru cmpurile de presiune,chiar i n cazul unor geometrii simple [Hubred i alii, 2000].

n prima etapa studiului de simulare a procesului de malaxare a aluatului, a fost proiectatun model geometric tridimensional parametrizat al malaxorului cu bra spiral i cuv fix model SILVER 50. n acest scop, a fost aplicat un software tip CAD (numit Solid Works),

utilizat n proiectarea obiectelor, chiar foarte complexe geometric (fig. 4.43, fig. 4.44).Geometria transferatde la Solid Works la pachetul preprocesor CFD este mult mai flexibiliprecis, dect n cazul n care ar fi realizatcu preprocesorul nsui.

Specificaiile tehnice ale malaxorului cu braelicoidal i cuvfix model SILVER 50 suntprezentate n Tabelul 4.3

Tabelul 4.3Specificaii geometrice ale malaxorului Model Silver 50

Diametrul cuvei [mm] 530nlimea cuvei [mm] 330Capacitate cuv[L] 55Dimensiuni braspiral [mm] 50x13x350

Diametru braspiral [mm] 32.5Putere [kW] 380/50/3-2VNumr rotaii pe minut 90; 180

Fig. 4.43Modelul geometric real al malaxorului cu braelicoidal i cuvfixSILVER 50


36/71

36

a. Sectiune 3D a modeluluigeometric

b.Modelul discretizatc. Sectiune 3D a modelului

discretizatFig. 4.44Aspecte ale modelului geometric

Modelarea numerici condiiile modelrii. Dezvoltarea aluatului este un proces dinamic ncare proprietile vscoelastice ale acestuia se schimb continuu. Complexitatea schimbrilorcauzate de micarea particulelor de aluat n timpul procesului de malaxare trebuie sfie luate nconsiderare pentru fiecare tip de malaxor, deoarece a fost dovedit n numeroase studii anterioarec n afarde viteza de malaxare, tipul de fore aplicate i fluxul de energie sunt factori careinflueneazmajor consistena aluatului final [Moritaka H., Sato E., 2005].

Simularea 3D a sistemului de malaxare a aluatului de panificaie are ca obiectiv principalstudiul comportrii aluatului de pine n timpul procesului de malaxare. Prima faz a acesteimodelri o reprezint generarea modelului geometric urmat apoi de generarea modeluluidiscretizat. ntre aceste doufaze se aplicipotezele simplificatore cu ajutorul crora modelul vaputea fi rulat.

Pentru realizarea simulrii este necesarparcurgerea urmtoarelor etape prezentate n figura4.45.

Fig. 4.45 Etapele realizrii simulrii

n acest studiu tridimensional, au fost considerate condiiile de curgere pentru starea deechilibru. Pentru a simula comportarea aluatului, pe parcursul malaxrii au fost utilizateurmtoarele ipoteze: curgerea corespunde strii de echilibru, este laminari izoterm, cuva esteplincu aluat, aluatul este considerat incompresibil i perfect vscos non-newtonian, cu inerieneglijabil. Efectul gravitaiei este luat n considerare pentru cantiti mari de aluat, n cazulstratului limit, efectul gravitaiei fiind neglijabil. Pe baza ipotezelor de mai sus, continuitatea,ecuaiile de moment i vscozitate sunt reduse la:

0= V , V - mare (4.122)

0=+ p (4.123)


37/71

37

( )

+

=

m&1

0 (4.124)

unde: Veste vectorul vitezei,p presiunea, tensorul tensiunilor, vscozitatea variabil, o vscozitatea de referinla rate de forfecare mici, o valoare asimptotica vscozitii la

rate de forfecare mari, 25.0 I=& , m este un indice de material, iar o constantde material,

cu invariantul secundar I2 al ratei tensorului deformaiilor, determinat din relaia [ChopinAlveograph Guide]:

+

+

+

+

+

+

+

=

222

2 4

1

x

v

y

u

z

u

x

w

z

v

y

w

y

v

x

u

z

w

y

vI (4.125)

unde: u, vi wsunt vitezele pe direciilex, yizn sistem de coordonate carteziene.Pentru simulare, s-a considerat aluatul format din ap, fini sare. Proprietile modelului

de aluat amestecat la 20oC, cu vscozitatea dependentde rata de forfecare descrisde ecuaia(4.124).

Rezultatele numerice au fost obinute pentru valoare densitii aluatului = 1200 kg/m3,vscozitatea dinamica aluatului 30 Pas, viteza de rotaie a braului spiral de 180 rpm i vitezade rotaie a cuvei malaxorului de 30 rpm.

Distribuia aluatului, n seciune transversal a malaxorului, pentru diferite regiuni cuaceeai vitezpoate fi vizualizatn figurile 4.464.52.

Fig. 4.46Regiune cu viteza 0.25 m/s Fig. 4.47Regiune cu viteza 0.50 m/s

Fig. 4.48Regiune cu viteza 0.75 m/s Fig. 4.49Regiune cu viteza 1 m/s


38/71

38

Fig. 4.50Regiune cu viteza 1.25 m/s Fig. 4.51Regiune cu viteza 1.50 m/s

Fig. 4.52Regiune cu viteza 1.75 m/s

Figurile 4.464.52 prezint modul n care masa de aluat se deplaseaz n momentulaplicrii unei anumite viteze. Analiznd aceste figuri se poate observa cdistribuiile vitezei decurgere n cuva malaxorului sunt asimetrice i aluatul curge prin regiunile libere atunci cndbraul de amestecare se deplaseaz o rotaie. Rezultatele obinute n urma simulrii oferposibilitatea estimrii forei motrice a braului elicoidal, permind astfel evaluarea consumuluide energie. Putem astfel estima o cretere a energiei cinetice a aluatului i o disipare a energiei.Trebuie remarcat faptul cenergia cineticdepinde de viteza de ordinul doi.

Fig. 4.53 Stratul limitcu consum de energie primar

n figura 4.53 suprafaa aluatului este la distan egal de 3 cm fa de peretele cuvei,distanaproximativ egalcu grosimea stratului limit.


39/71

39

Fig. 4.54Distribuia de energie la malaxare Fig. 4.55Distribuia de energie la niveluridiferite

Disiparea de energie n aluat n timpul procesului de malaxare (figurile 4.54 i 4.55) esteproporionalcu cu gradientul vitezei de deformare. Zonele cu o distribuie mai mare de energiesunt situate n jurul braului elicoidal, peretele cuvei, dar i n zona braului contrast.

Figurile 4.56 i 4.57 ilustreazdistribuia de presiune n aluat, n diferite regiuni, pentru oturaie de 180rot/min. Aceste figuri aratcdomeniul de curgere variazn mod semnificativ pe

nlimea cuvei. De asemenea, se poate observa cgradientul de presiune al aluatului n zonainferioara minimei distane dintre peretele cuvei i dispozitivul de malaxare este mai mare caurmare a aciunii forelor de gravitaie.

Datoritfaptului cseciunea de trecere a aluatului ntre dispozitivul de malaxare i pereteeste mic, iar presiunea este ridicat, rezultcenergia este proporionalcu fora de deformaiea aluatului.

Fig. 4.56Distribuia de presiune n cuvamalaxorului

Fig. 4.57Distribuia de presiune la diferiteniveluri

Fig. 4.58Distribuia de presiune pe braulelicoidal

Fig. 4.59Distribuia de presiune n zonainferioar

Conform rezultatului simulrii (figura 4.58) presiune pe braul elicoidal este mai ridicatnregiunea inferioara dispozitivului de malaxare.

Din figura 4.59 se observcdistribuia de presiune n zona inferioareste mare. Figurile4.604.62 prezintvariaia vitezei n procesul de malaxare a aluatului, la o turaie a brauluispiral de 180 rpm pentru aluatul cu densitatea = 1200 kg/m3.


40/71

40

Fig. 4.60 Variaia vitezei n zona inferioar

Fig. 4.61 Variaia vitezei n zona central(imagine stnga- pe direcia vertical, imaginedreapta direcie orizontal)

Fig. 4.62 Variaia vitezei n zona central(imagine stnga n apropierea peretelui cuvei,imagine dreapta spre centrul cuvei)

Fig. 4.63 Vizualizarea vectorului vitez Fig. 4.64 Vizualizarea vectorului vitezladiferite niveluri

n figura 4.63, datorit rotirii aluatului n acelai sens cu braul elicoidal, se observexistenta unor zone cu vitezsporit.

luchi an mihaela i one la

Documents