1

1

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013

Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”

Domeniul major de intervenţie 1.5 „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”

Titlul proiectului: „Investiţie în dezvoltare durabilă prin burse doctorale (INED)”

Numărul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321

Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Centrul de cercetare: Eco – Biotehnologii şi echipamente în

agricultură şi alimentaţie

Drd. Mihaela Ionela LUCHIAN

Contribuţii privind optimizarea energetică a procesului de

malaxare a aluatului de panificaţie

Contribution on the energetic optimization of bread dough

mixing process

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Carol CSATLOS

BRASOV, 2012 2

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

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

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

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

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Vasile PĂDUREANU

Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. Carol CSATLOS


REFERENŢI: Prof.dr.ing. Gheorghe VOICU

Universitatea Politehnică Bucureşti

Assoc.prof.PhD eng. Stefan STEFANOV

Univeristy of Food Technology, Plovdiv, Bulgaria

Conf.dr.ing. Liviu Gaceu


Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 25 Septembrie 2012,

ora 11, sala RP6

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.3

CUPRINS (lb. romana)

Pg.

teza

Pg.

rezumat

1. ASPECTE GENERALE PRIVIND PÂINEA ŞI TEHNOLOGIILE DE

PREPARARE A ACESTEIA…………………………………………………………….

11 7

1.1. Istoricul pîinii…………………………………………………………………………... 11 7

1.2. Pâinea şi importanţa ei în alimentaţie………………………….……………................. 12 7

1.3. Materii prime şi auxiliare utilizate la fabricarea pâinii………………………................ 16 8

1.4. Controlul calităţii materiilor prime şi auxiliare……………………………................... 35 9

1.5. Condiţii de calitate impuse pâinii şi produselor de panificaţie……………………….... 38 9

1.6. Stadiul actual al tehnologiilor de fabricare a pâinii………………….………................ 41 10

2. CARACTERIZAREA REOLOGICĂ A ALUATULUI DIN FĂINĂ DE GRÂU ŞI

ECHIPAMENTELE UTILIZATE ÎN PROCESUL DE MALAXARE A

ACESTUIA............................................................................................................................

61 12

2.1. Caracterizarea aluatului de panificaţie……………………………………..................... 61 12

2.2. Stabilirea caracteristicilor energetice ale procesului de malaxare................................... 70 15

2.3. Echipamente utilizate la malaxarea aluaturilor în industria panificaţiei…...................... 72 17

3. NECESITATEA ŞI OBIECTIVELE LUCRĂRII DE DOCTORAT……................... 83 19

3.1. Necesitatea lucrării……………………...…………………………………………….... 83 19

3.2. Obiectivele lucrării……………………………………...……………………………… 84 19

4. MODELAREA ŞI SIMULAREA DINAMICII ALUATULUI ŞI A PROCESULUI

DE MALAXARE A ACESTUIA...........................................................................................

86 20

4.1. Modele reologice vâscoelastice…………………………………………..……………. 86 20

4.2. Studiul fluajului şi descărcarea după fluaj a sistemelor reologice................................... 87 21

4.3. Relaxarea forţei şi anularea deformaţiei după relaxare................................................... 87 21

4.4. Modelul liniar elastic Hooke............................................................................................ 88 22

4.5. Modelul liniar vâscos Newton......................................................................................... 89 23

4.6. Modelul matematic vâscoelastic Kelvin-Voigt................................................................ 92 23

4.7. Modelul matematic vâscoelastic Maxwell....................................................................... 107 27

4.8. Modelul matematic vâscoelastic Burgers......................................................................... 118 30

4.9. Simularea procesului de malaxare a aluatului folosind metode numerice 132 34

5. CERCETAREA EXPERIMENTALĂ A DINAMICII ALUATULUI ŞI A

CONSUMURILOR ENERGETICE ÎN PROCESUL DE MALAXARE A

ALUATULUI DE PÂINE.....................................................................................................

147 43

5.1. Obiectivele cercetărilor experimentale............................................................................ 147 43

5.2. Obiectul cercetărilor experimentale................................................................................. 150 43

5.3. Metodica cercetării experimentale................................................................................... 151 44

5.4. Aparatura utilizată la cercetarea experimentală.............................................................. 162 45

5.5. Desfăşurarea cercetării experimentale............................................................................. 156 47

5.6. Prelucrarea, analiza şi interpretarea rezultatelor cercetării experimentale....................... 162 49

6. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUŢII PERSONALE ŞI DIRECŢII

VIITOARE DE CERCETARE............................................................................................

186

63

6.1. Concluzii generale............................................................................................................ 186 63

6.2. Concluzii privind cercetările teoretice şi experimentale…………………………...…... 187 63

6.4. Contribuţii personale………………………………………………………….………... 189 65

6.5. Direcţii viitoare de cercetare………………………………………………………….... 191 65

BIBLIOGRAFIE 193 66 4

CONTENTS

Pg.

teza

Pg.

rezumat

1. GENERAL ASPECT REGARDING BREAD AND ITS MANUFACTURING

TEHNOLOGIES …………………………………………….

11 7

1.1. Bread history…………………………………………………………………………... 11 7

1.2. Bread and its importance in nutrition………………………….……………................. 12 7

1.3. Raw and auxiliary materials used in breadmaking process…………………................ 16 8

1.4. Raw and auxiliary materials quality control………………………………................... 35 9

1.6. Quality requirements imposed to bread and bakery products ……………………….... 38 9

1.7. Present state of technology for preparing bread ………………….……….................... 41 10

2. RHEOLOGY OF WHEAT FLOUR DOUGH AND EQUIPMENT USED IN ITS

MIXING PROCESS..............................................................................................................

61 12

2.1. Characterisation of bread dough ……………………………………............................. 61 12

2.2. Setting energetic characteristics of the mixing process................................................... 70 15

2.3. Equipment used for mixing dough in the bakery industry ….......................................... 72 17

3. PHD THESIS NECESSITY AND OBJECTIVES……………….….............................. 83 19

3.1. PhD thesis necessity……………………………………………………………………. 83 19

3.2. PhD thesis objectives…………………………………………………….……………. 84 19

4. MODELING AND SIMULATION OF BREAD DOUGH MIXING DYNAMICS

AND PROCESS THEREOF………………………………………………………………..

86 20

4.1. Viscoelastic rheological models…………………………………………………..….. 86 20

4.2. Study of creep and creep after unloading rheological systems........................................ 87 21

4.3. Force and strain relaxation............................................................................................... 87 21

4.4. Hooke linear-elastic model.............................................................................................. 88 22

4.5. Newton linear-viscous model........................................................................................... 89 23

4.6. Kelvin-Voigt viscoelastic mathematical model............................................................... 92 23

4.7. Maxwell viscoelastic mathematical model...................................................................... 107 27

4.8. Burgers viscoelastic mathematical model........................................................................ 118 30

4.9. Dough mixing process simulation using numerical methods 132 34

5. EXPERIMENTAL RESEARCH OF BREAD DOUGH DINAMICS AND THE

ENERGY CONSUMPTION ÎN MIXING BREAD DOUGH PROCESS.......................

147 43

5.1. Experimental research objectives................................................................................... 147 43

5.2. Experimental research objects......................................................................................... 150 43

5.3. Experimental research methodology................................................................................ 151 44

5.4. Equipments for experimental research............................................................................. 162 45

5.5. Experimental research development............................................................................... 156 47

5.6. Processing, analysis and interpretation of experimental research results....................... 162 49

6. GENERAL CONCLUSION, PERSONAL CONTRAPOSITIONS AND FUTURE

RESEARCH..........................................................................................................................

186

63

6.1. General conclusions......................................................................................................... 186 63

6.2. Theoretical research conclusions……...……………………………………………..… 187 63

6.4. Personal contributions………………………………….….…………………………… 189 65

6.5. Future researach……………………………………………………………………..… 191 65

REFERENCES 193 66 5

PREFAŢĂ

Procesul de panificaţie este un proces complex. Pe fluxul tehnologic de panificaţie materiile

prime şi materiile auxiliare sunt supuse mai multor operaţii, prin care sunt transformate mai întâi

într-un aluat consistent cu proprietăţi fizico-mecanice, chimice şi tehnologice corespunzătoare,

care să conducă apoi la obţinerea unor produse finite, cu volum adecvat prezentând un aspect

exterior şi un miros plăcut, precum şi un miez elastic cu porozitate fină; produse care să fie

păstrate în condiţii normale un timp cât mai mare.

Complexitatea procesului de panificaţie se datorează în mare măsură aluatului care se

formează în timpul procesului de malaxare a făinii cu apa. Caracteristicile de rezistenţă ale

aluatului sunt considerate importante atât în aprecierea calitativă a diverselor tipuri de făină, cât

şi în selecţia materiei prime. Proprietăţile fizico-chimice, reologice şi tehnologice ale aluaturilor

influenţează procesul de malaxare şi prelucrare, atât prin regimurile de funcţionare adoptate la

utilajele de pe fluxul tehnologic, cât şi prin componentele reţetei utilizate (adaosuri de

ingrediente şi aditivi).

În acest sens sunt necesare informaţii corespunzătoare astfel încât aluatul să fie de calitate şi

să asigure obţinerea unor produse finite cu caracteristici uniforme, cu gust şi aspect plăcut.

Pe plan internaţional, cercetările privind utilizarea diferitelor ingrediente în produsele de

panificaţie a cunoscut în ultimele decenii o evoluţie spectaculoasă ca urmare a progreselor

înregistrate în cercetările privind particularităţile structurale şi funcţionale ale proteinelor

glutenice ale făinii. Acestea au contribuit decisiv la înţelegerea mecanismelor de acţiune a

ingredientelor şi a utilizării lor în practică. Cu toate acestea o serie de procese biochimice şi

particularităţi ale ingredientelor utilizate în panificaţie au rămas neelucidate până astăzi.

Deşi principalele mecanisme de acţiune a diferitelor ingrediente asupra aluatului au fost

elucidate, astăzi la nivel mondial se observă o preocupare majoră pentru studiul relaţiei existente

între particularităţile reologice ale aluatului, calitatea făinii, doza ingredientelor utilizate şi

procesul de malaxare utilizat.

Există preocupări permanente ale cercetătorilor din ţară şi străinătate pentru dezvoltarea

unor metode simple, rapide şi comode de testare a aluatului pentru caracterizarea proprietăţilor

de panificaţie ale acestora. Validarea cercetărilor de laborator trebuie, însă, realizată prin aplicaţii

pe fluxul tehnologic de producţie, cu urmărirea comportării reale a aluaturilor şi prin verificarea

caracteristicilor produselor finite.

Cunoaşterea comportării aluaturilor este utilă şi necesară atât pentru evaluarea parametrilor

tehnologici şi funcţionali ai echipamentelor care prelucrează aluaturile din făină, cât şi pentru

stabilirea parametrilor tehnologici ai procesului de panificaţie însuşi.

Tema abordată în această lucrare, referitoare la studiul comportării diferitelor tipuri de

aluaturi în procesul de malaxare cu scopul optimizării procesului, este deosebit de actuală şi

necesară pentru completarea cunoştinţelor asupra caracteristicilor acestor aluaturi şi pentru

cercetarea consumurilor energetice în procesul de malaxare a aluaturilor, orice reducere a

consumurilor energetice regăsindu-se în preţul final al pâinii la consumator.

Lucrarea este structurată pe 6 capitole, dezvoltată pe 192 pagini, fiind ilustrată cu 158 figuri

şi grafice, 148 relaţii matematice şi 24 tabele, precum şi o listă bibliografică alcătuită din 115

referinţe bibliografice.

Lucrarea mai cuprinde şi un rezumat în limbile română şi engleză, CV-ul sumar în limba

română şi engleză şi o listă a lucrărilor ştiinţifice publicate sau comunicate pe tema lucrării de

doctorat.

În Capitolul 1, intitulat „Aspecte generale privind pâinea şi tehnologiile de preparare a

acesteia” sunt prezentate rolul şi importanţa pâinii în alimentaţia umană, caracteristicile nutritive

şi energetice ale pâinii, materiile prime şi materiile auxiliare utilizate la fabricarea acesteia,

precum şi tehnologiile de fabricare a pâinii. 6

Un subcapitol foarte important îl reprezintă Controlul calităţii materiilor prime şi auxiliare,

deoarece calitatea acestora este primordială în obţinerea calităţii superioare a pâinii; şi nu în

ultimul rând subcapitolul intitulat Condiţii de calitate impuse pâinii şi produselor de panificaţie,

care precizează indicatorii minimi de calitate pe care trebuie să-i îndeplinească pâinea şi

produsele de panificaţie pentru a corespunde consumului. Tot în această parte sunt prezentate pe

scurt tehnologiile moderne care pot fi utilizate pentru obţinerea pâinii şi a produselor de

panificaţie.

Capitolul 2 intitulat „Caracterizarea reologică a aluatului din făină de grâu şi

echipamentele utilizate în procesul de malaxare a acestuia” abordează elementele principale de

reologie a aluatului. În această parte sunt prezentate consideraţiile generale privind caracterizarea

aluaturilor (bazele ştiinţifice ale procesului de malaxare, factorii care influenţează dezvoltarea şi

caracteristicile aluatului, caracterizarea generală a aluatului de pâine), principalele tipuri

constructive de malaxoare.

Capitolul 3, intitulat „Necesitatea şi obiectivele lucrării de doctorat” precizează atât

necesitatea acestei teze de doctorat cât şi obiectivele urmărite şi rezolvate.

În Capitolul 4, intitulat „Modelarea şi simularea dinamicii aluatului şi a procesului de

malaxare a acestuia” se prezintă pe scurt modelele reologice vâscoelastice, iar pe baza acestora

s-a realizat simularea dinamicii aluatului pentru modele analogice Kelvin- Voigt, Maxwel şi

Burgers, cu ajutorul programului MatLab Simulink. În partea a doua a acestui capitol este

prezentată modelarea matematică a comportării aluatului la malaxare prin utilizarea unor softuri

specializate (SolidWorks, FlowVision).

Capitolul 5 denumit „Cercetarea experimentală a dinamicii aluatului şi a consumurilor

energetice în procesul de malaxare a aluatului de pâine” prezintă obiectivele cercetării

experimentale ale tezei de doctorat, modul de îndeplinire a acestora, precum şi rezultatele

obţinute.

În Capitolul 6, intitulat „Concluzii” se sintetizează rezultatele cercetărilor teoretice şi

experimentale din prezenta lucrare de doctorat, se precizează contribuţiile personale ale autoarei

şi se sugerează direcţiile pe care se pot continua cercetările la această temă.

***

Prezenta lucrare de doctorat a fost realizată sub îndrumarea ştiinţifică a domnului prof. univ.

dr. ing. Carol CSATLOS, căruia îi adresez cele mai sincere mulţumiri pentru sprijinul,

încrederea şi înalta competenţă cu care m-a îndrumat la elaborarea acestei teze de doctorat.

Adresez, de asemenea, mulţumiri tuturor cadrelor didactice şi colegilor din cadrul Facultăţii

de Alimentaţie şi Turism care mi-au fost alături în această perioadă.

Pentru sprijinul acordat în realizarea simulării şi modelării procesului de malaxare le

mulţumesc domnului Prof.dr.ing. Igor Litovchenko de la Universitatea de Tehnologii Alimentare

din Kiev, Ukraina şi domnului Prof.dr.ing. Stefan Stefanov de la Universitatea de Tehnologii

Alimentare, Plovdiv, Bulgaria.

Nu în ultimul rând, mulţumesc familiei pentru sprijinul moral şi afectiv, pentru grija şi

înţelegerea de care au dat dovadă pe tot parcursul elaborării acestei teze de doctorat.

Mihaela Ionela LUCHIAN

Braşov, septembrie 2012 7

1. ASPECTE GENERALE PRIVIND PÂINEA ŞI TEHNOLOGIILE DE

PREPARARE A ACESTEIA

1.1. Istoricul pâinii

A fost nevoie de mii de ani pentru ca pâinea să evolueze în forma pe care o cunoaştem în

prezent. Populaţia Egiptului antic prăjea la început grâu şi orz la flacără deschisă. Ulterior,

egiptenii au descoperit că aroma, consistenţa şi digestia grăunţelor întregi sau pisate puteau fi

îmbunătăţite prin adăugarea apei, obţinându-se astfel un terci. Atunci când straturi dintr-un terci

consistent şi vâscos au fost puse la copt pe pietre încinse deasupra focului, a apărut pâinea plată.

Această evoluţie, de la seminţe prăjite la pâine, se pare că a început în jurul anului 6000

î.Hr., încheindu-se în 2600 î.Hr., când brutarii egipteni au făcut o descoperire remarcabilă: dacă

amestecul de seminţe pisate şi apă nu era copt imediat, se declanşa un proces de fermentaţie, în

urma căruia rezulta un aluat aromat. Când era copt, aluatul respectiv creştea, obţinându-se o

pâine mai moale şi mai uşoară.

După ce au descoperit procesul de dospire, egiptenii şi-au perfecţionat aptitudinile de

brutari, producând peste 50 de varietăţi de pâine. Principala materie primă era grâul, dar se mai

adăuga şi orzul, ce are un conţinut mai ridicat de gluten şi produce astfel o pâine mai grea.

Principalul agent de dospire, un aluat fermentat, era preparat în cantităţi mari şi păstrat pentru a

fi amestecat cu aluatul proaspăt. Astfel, pâinea putea fi produsă ori de cate ori era necesar.

Aceste abilităţi culinare au impus înlocuirea pietrelor folosite la coacere cu un dispozitiv mai

complex, astfel că egiptenii au inventat cuptorul. Si în prezent se mai întâlnesc asemenea relicve,

confecţionate din lut de Nil, terminate în partea superioară printr-un con deschis şi cu interiorul

divizat de poliţe orizontale. Prin gaura superioară a cuptorului, brutarul putea, la nevoie, să

înţepe aluatul care creştea.

Brutăritul a rămas neschimbat timp de mai multe secole. Deşi romanii coceau pâine,

cronicarii nu menţionează existenţa brutarilor până în secolul al II-lea î.Hr. Brutarii erau în mare

parte sclavi eliberaţi ce scuteau femeile de povara gătitului, acestea evitând apropierea de

cuptoarele încinse.

1.2. Pâinea şi importanţa ei în alimentaţie

Activitatea legată de obţinerea produselor de panificaţie (pâine, produse de franzelărie,

covrigi, ş.a.) reprezintă una dintre cele mai vechi îndeletniciri din ţara noastră, şi totodată una

dintre componentele majore ale producţiei alimentare.

Pâinea constituie un aliment de bază care se consumă zilnic motiv pentru care industria de

panificaţie ocupă un loc important în cadrul producţiei bunurilor de larg consum. Prelucrarea

făinii are loc în cadrul unor unităţi de panificaţie cu capacităţi din cele mai diverse care

realizează o gamă largă de produse. Prin substanţele lor componente, aceste produse contribuie

la înmulţirea celulelor organismului uman, la refacerea ţesuturilor uzate, la menţinerea sănătăţii

şi a capacităţii de muncă.

Pentru satisfacerea cerinţelor tot mai crescânde şi diversificate necesare unei alimentaţii

moderne, industria de panificaţie din România realizează o mare varietate de sortimente, care pot

fi grupate astfel: pâine neagră, pâine semialbă, pâine albă, produse de franzelărie simple, produse

de franzelărie cu adaosuri, produse speciale de franzelărie, produse dietetice si produse de

simigerie.

Ca produse pentru consum, pâinea are importante proprietăţi fizico-chimice şi gustative,

care stau la baza valorii alimentare şi a calităţii lor.

Pentru stabilirea calităţii pâinii, o deosebită importanţă are compoziţia chimică a acesteia,

deoarece substanţele care intră în componenţa ei servesc la obţinerea energiei necesare

organismului omenesc, la formarea ţesuturilor şi la reglarea diferitelor procese ale organismului.8

Pe lângă compoziţia chimică, calitatea pâinii şi deci valoarea ei alimentară depinde în mare

măsură de indicii gustativi: aroma şi gustul, aspectul exterior, afânarea miezului (porozitatea).

1.3. Materii prime şi auxiliare utilizate la fabricarea pâinii

Principalele produse ale industriei de panificaţie care se fabrică în unităţile din România sunt

pâinea, produsele de franzelărie, produsele dietetice şi cele de simigerie (fig. 1.2).

Pentru obţinerea acestor produse se folosesc ca materii prime şi auxiliare: făină, apă, sare,

afânători, grăsimi alimentare, substanţele dulci, lapte, ouă, arome, fructe, coloranţi, materiale de

ambalat şi altele.

Materiile prime şi auxiliare influenţează calitatea produselor finite obţinute prin compoziţia

lor, iar însuşirile lor tehnologice determină modul de desfăşurare a procesului tehnologic de

fabricaţie.

Fig. 1.2 - Principalele produse ale industriei de panificaţie

Făina de grâu este principala materie alimentară care se utilizează în industria panificaţiei.

Ea rezultă prin măcinarea grâului în diferite variante de extracţie. Datorită lărgirii permanente a

sortimentelor de produse finite puse la dispoziţia consumatorilor şi progresului tehnologic de

fabricaţie a acestor produse este necesar ca făina utilizată să corespundă destinaţiei sale.

Mecanizarea şi automatizarea proceselor tehnologice de fabricaţie a produselor de panificaţie, în

condiţii de eficienţă, impune făinii, ca materie primă de bază, o serie de însuşiri de calitate, cât

mai constante şi corespunzătoare cerinţelor de calitate ale fiecărui sortiment sau grupă de

produse finite pentru care este folosită.

Apa este un component indispensabil al aluatului, în prezenta ei particulele de făină şi

componenţii ei macromoleculari se hidratează şi formează glutenul. De asemenea, apa joacă un

rol important în toate tipurile de procese, biochimice, microbiologice, coloidale care au loc în

aluat.

Drojdia se foloseşte ca agent de afânare biochimică a aluatului. Ea aparţine genului

Saccharomyces, specia Saccharomyces cerevisiae, şi poate, datorită echipamentului său

enzimatic, să fermenteze glucoza, fructoza, zaharoza şi maltoza, adică toate zaharurile din aluat.

În panificaţie, sarea se foloseşte la prepararea tuturor produselor, cu excepţia produselor

dietetice fără sare. Se foloseşte pentru gust şi cu scop tehnologic.

În categoria materiilor auxiliare întră acele produse care au rolul de a ameliora gustul şi

rolul de a mări valoarea nutritivă a produselor. Dintre acestea fac parte zaharurile, glucoza,

mierea de albine, laptele şi subprodusele din lapte, ouăle, fibrele alimentare, condimentele,

glutenul, seminţele şi conservanţii.

Produse de panificaţie

Pâine albă

Pâine semi

Pâine neagră

Produse de franzelărie

Împletituri

Chec

Cozonac

Chifle

Cornuri

Produse de dietetice

Pâine Graham

Pâine fără sare

Pâine cu tărâţe

Pâine proteică

Produse de simigerie

Covrigi 9

1.4. Controlul calităţii materiilor prime şi auxiliare

Pentru a putea fi utilizate în procesul tehnologic de fabricare a pâinii şi produselor de

panificaţie, materiile prime şi cele auxiliare trebuie să îndeplinească condiţiile de calitate impuse

de standardele de specialitate. Pentru a avea certitudinea calităţii, acestea sunt supuse unui

control riguros de calitate, care se execută de specialişti, în laboratoare speciale, dotate

corespunzător.[Banu, C, 2000].

Calitatea făinii se apreciază prin determinarea caracteristicilor senzoriale (culoare, gust,

miros), fizico – chimice (aciditate, umiditate, conţinut de cenuşă, granulozitate, impurităţi

metalice), tehnologice (conţinut de gluten umed, conţinut de gluten uscat, indicele de deformare

al glutenului, capacitatea de hidratare), gradului de infestare [Banu C. ş.a., 2000; Bordei D.,

2004].

Din punct de vedere economic este recomandat ca în industria panificaţiei să fie utilizată

sarea de calitate inferioară. Astfel, sarea utilizată trebuie să îndeplinească o serie de condiţii

tehnice de calitate prevăzute în standardele în vigoare.

Calitatea sării se stabileşte prin control senzorial, urmărind gustul, mirosul, culoarea şi

corpurile străine.[Bordei, D., 2004]

În industria de panificaţie apa este controlată numai din punct de vedere organoleptic. Astfel

se determină culoarea, aspectul, gustul, mirosul, transparenţa şi impurităţile vizibile.

Pentru a putea fi utilizată ca apă tehnologică în industria de panificaţie, apa trebuie să fie

perfect transparentă, incoloră, fără sediment, iar gustul şi mirosul se admit să fie foarte slabe şi

cel mult perceptibile de o persoană cu experienţă.[Bordei D., 2004; Giurcă V., 1980]

Calitatea drojdiei se apreciază prin examen senzorial analizându-se aspectul, culoarea,

consistenţa, mirosul, gustul, puterea de creştere şi uneori umiditatea.

Zahărul, grăsimile, laptele se controlează organoleptic, analizându-li-se aspectul, culoarea,

gustul, mirosul, consistenţa (în cazul grăsimilor solide).

1.5. Condiţii de calitate impuse pâinii şi produselor de panificaţie

Calitatea unui produs reprezintă ansamblul proprietăţilor şi caracteristicilor care îi conferă

acestuia posibilitatea de a satisface nevoile explicite şi implicite ale consumatorilor (conform

ISO 9000:2006).

Produsele de panificaţie se fabrică pe baza unor standarde sau norme interne, care precizează

indicatorii minimi de calitate pe care trebuie sa-i îndeplinească spre a corespunde consumului.

Sunt supuse controlului calităţii atât proprietăţile senzoriale (aspect, arome, gust), care produc

senzaţia plăcută asupra cumpărătorului, cât şi însuşirile fizico-chimice care garantează un anumit

conţinut de substanţe hrănitoare, astfel încât produsele să fie nu numai plăcute, ci şi utile în

alimentaţie.

Controlul calităţii pâinii se face asupra unor probe medii, prin examinarea caracteristicilor

senzoriale şi prin determinarea indicilor fizico-chimici.

Pâinea şi produsele de panificaţie oferite spre comercializare trebuie să fie fabricate conform

prevederilor legale, în scopul protecţiei sănătăţii publice, protecţiei igienei alimentului şi

protecţiei calităţii produsului; să se încadreze în nivelurile maxime admise de contaminare fizică,

chimică, microbiologică, toxicologică sau radiologică, stabilite prin reglementări speciale; să fie

ambalate, etichetate şi marcate conform reglementărilor specifice, iar inscripţionarea etichetelor

să fie vizibilă, lizibilă şi corectă.

La fabricarea pâinii şi produselor de panificaţie se utilizează numai utilaje, materii prime,

materiale, ambalaje şi mijloace de transport care să corespundă condiţiilor de calitate şi igienă

prevăzute în standarde, caiete de sarcini, specificaţii tehnice, norme sanitare şi sanitar veterinare,

normele legale privind protecţia mediului şi în alte reglementări legale specifice. Calitatea

materiilor prime, materialelor, ambalajelor, etc. se verifică prin control şi prin analize specifice

de laborator, iar recepţia lor se efectuează numai dacă acestea sunt însoţite de documente de

atestare a calităţii. 10

1.7. Stadiul actual al tehnologiilor de fabricare a pâinii

Tehnologia de preparare a pâinii are ca scop furnizarea de produse digestibile, cu un nivel

organoleptic agreat de consumatori şi cu valoare nutritivă ridicată.

Tehnologia clasică de preparare a pâinii, aplicată în prezent în ţara noastră, prin consumurile

specifice şi legislaţia tehnologică în vigoare, nu poate adăuga enzime dacă acestea lipsesc şi nu

poate inhiba sau frâna procesele enzimatice prin folosirea diferitelor substanţe chimice, dacă

acestea sunt prea intense. Pentru realizarea procesului degradativ, ea se bazează în exclusivitate

pe proprietăţile biologice ale bobului de grâu, pe proprietăţile tehnologice ale făinii. [Giurcă V.,

Danciu I., 2002]

Având în vedere că în cadrul tehnologiei clasice de preparare a pâinii nu pot fi utilizate alte

materiale în afară de făină – apă – sare - drojdie, singurele mijloace care rămân la dispoziţie

pentru a acţiona asupra reacţiilor enzimatice sunt: temperatura şi timpul de reacţie. Dacă însă

adăugăm faptul că aceste două mijloace sunt dictate de procesul microbiologic, putem spune că

tehnologia clasică de preparare a pâinii nu poate controla şi conduce în mod eficient procesul

degradativ pentru a obţine aceeaşi stare, aceeaşi calitate a pâinii, plecând de la orice stare a făinii.

[Giurcă V., Danciu I., 2002]. Toate defectele calitative care apar în lanţul de producere şi

industrializare a grâului, agricultură, depozitare – conservare – morărit, sunt puse în evidenţă în

procesul de panificaţie

Produsele de panificaţie obţinute în prezent la scară industrială prezintă o mare diversitate,

pentru fiecare aplicându-se procesul tehnologic adecvat, ce cuprinde un ansamblu de faze şi

operaţii în urma cărora materiile prime utilizate la fabricaţie se transformă în produs finit. [Voicu

Gh., 1999]

Aceste operaţii presupun depozitarea materiilor prime, astfel încât să nu apară modificări

negative ale proprietăţilor tehnologice ale materiilor prime şi auxiliare; pregătirea materialelor cu

aducerea acestora la parametrii necesari utilizării (condiţionarea); prepararea aluatului în două

sau trei faze, conform procesului tehnologic stabilit; prelucrarea aluatului fermentat, prin

divizarea în bucăţi a acestuia, premodelarea şi modelarea bucăţilor de aluat, fermentarea finală

(dospirea), eventual condiţionarea (creşterea, marcarea, spoirea)bucăţilor; coacerea şi finalizarea

coacerii, cu eventuala pulverizare cu apă a produselor finite pentru a împiedica încreţirea cojii

În practică, pe baza operaţiilor tehnologice expuse şi a posibilităţilor fiecărei unităţi

productive, acestea îşi concep schema tehnică proprie (fig. 1.11) în care se reprezintă modul de

desfăşurare a fluxului tehnologic corespunzător produselor ce se doresc a fi realizate. [Voicu

Gh., 1999]

Malaxarea intensivă şi rapidă a aluatului este caracterizată de o malaxare mult mai energică

a aluatului, realizată la turaţii mai mari ale braţelor de malaxare şi într-un timp mai scurt, în

comparaţie cu malaxarea clasică, lentă. Cunoscută şi ca dezvoltarea mecanică a aluatului, ea

asigură formarea acestuia, iar efectul malaxării intensive a aluatului asupra însuşirilor lui

reologice are la bază modificările suferite de proteinele glutenice la malaxare.

Cunoaşterea proceselor care au loc în aluat şi a factorilor care le influenţează a permis

dezvoltarea tehnologiilor de preparare a aluatului bazate pe utilizarea frigului.

Una din utilizările frigului în panificaţie este încetinirea fermentării aluatului prin

refrigerarea acestuia. Tehnologia preparării pâinii prin refrigerarea semifabricatelor se bazează

pe încetinirea proceselor biochimice şi microbiologice la scăderea temperaturii. Astfel,

activitatea enzimelor se reduce o dată cu scăderea temperaturii aluatului. Tehnologia preparării

semifabricatelor refrigerate se foloseşte pentru refrigerarea maielelor în vrac şi a bucăţilor de

aluat modelate sau parţial dospite. Tehnologia presupune două faze: răcirea şi reîncălzirea

semifabricatelor. 11

Fig. 1.11 - Schema tehnologică de preparare a pâinii [Giurcă V., Danciu I., 2002]

Dezvoltarea producţiei şi consumului de produse de panificaţie a determinat schimbarea

concepţiei privind procedeele tehnologice de obţinere a acestora, trecându-se de la tehnologia

clasică la tehnologia pe bază de aluat congelat. Noua tehnologie permite preluarea vârfurilor de

producţie asigurând astfel fluenţa acesteia, precum şi posibilitatea desfacerii produselor la locul

de obţinere a acestora.

Tehnologia de obţinere a produselor folosind aluaturi congelate prezintă dezavantajul că

produsul finit se obţine cu volum mai mic decât cel obţinut din aluat necongelat.

Aluatul acid uscat este folosit în tehnologia directă de preparare a aluatului în locul maielei

din tehnologia tradiţională în scopul simplificării procesului tehnologic şi al reducerii duratei

acestuia, fără diminuarea calităţii pâinii.

Aluatul acid este un semifabricat fermentat, uscat şi mărunţit până la obţinerea unei pulberi

omogene. Se prepară din făină şi apă, fiind fermentat în mai multe etape în prezenţa microbiotei

proprii, naturale şi apoi uscat în condiţii în care să se menţină bacteriile lactice în stare viabilă.

Se foloseşte făina de grâu sau de secară de diferite grade de extracţie. Se prezint sub formă de

pulbere fină, cu umiditate de circa 8%, de culoare albă (pentru făina de grâu) sau uşor maronie

(pentru făina de secară), cu aromă caracteristică [Bordei D., 2004]

Pâinea precoaptă este pâinea cu coacere incompletă. Ea are formă şi volum stabilizate şi

coajă parţial formată, care se prezintă ca o crustă foarte subţire, puţin sau deloc colorată. Sub

această formă pâinea se comercializează. Ea poate fi rapid transformată în produs finit în urma

coacerii finale. Procedeul de obţinere a pâinii, în acest caz, presupune două operaţii de coacere: o

precoacere, care se realizează în secţia de obţinere a pâinii, şi o coacere finală, definitivă, la locul

de vânzare sau la consumator. Prepararea aluatului până la precoacere nu diferă de procedeul

obişnuit.

FĂINĂ DROJDIE APĂ SARE

Condiţionare Suspensionare Încălzire Dizolvare

DOZARE

Pregătire

materii prime

Malaxare aluat

Fermentare aluat

Preparare aluat

Divizare aluat

Modelare aluat

Dospire aluat

Prelucrare aluat

Condiţionare

Coacere aluat

Spoire

Coacere

PÂINE

Depozitare

Transport 12

2. CARACTERIZAREA REOLOGICĂ A ALUATULUI DIN FĂINĂ DE

GRÂU ŞI ECHIPAMENTELE UTILIZATE ÎN PROCESUL DE

MALAXARE A ALUATULUI DE PENIFICAŢIE

2.1. Caracterizarea aluatului de panificaţie

Malaxarea reprezintă operaţia tehnologică în urma căreia se obţine, din materiile prime şi

auxiliare utilizate, o masă omogenă de aluat, cu structură şi însuşiri reologice specifice

(rezistenţă, extensibilitate, vâscozitatea, elasticitate, plasticitate). Însuşirile reologice ale aluatului

influenţează volumul şi forma pâinii, elasticitatea miezului şi a cojii, menţinerea prospeţimii.

Atunci când aluatul are elasticitate şi extensibilitate suficient de mari, rezultă pâine afânată, cu

volum dezvoltat şi miez având pori cu pereţi subţiri. Dacă aluatul este prea rezistent (tenace),

pâinea se obţine nedezvoltată, cu miez dens, iar când aluatul este excesiv de extensibil, pâinea se

aplatizează, are volum redus şi porozitate grosieră. [Voicu, Gh. 1999]

Operaţia de malaxare se realizează în cuva malaxorului, în care materiile prime şi auxiliare

introduse în doze corespunzătoare se supun amestecării, atât în stadiul de prospătură, maia cât şi

în cel de aluat propriu-zis.

Ca primă etapă la fabricare a pâinii, procesul de malaxare este crucial pentru calitatea

produselor finite. Formarea aluatului cu structura şi proprietăţile reologice specifice se produce

în urma unor procese fizice, coloidale, biochimice, rolul principal avându-l procesele fizice şi

coloidale.

Procesele fizice depind de modul de amestecare a făinii cu apa şi comportă câteva momente

mai importante. În primele momente ale amestecării, absorbţia apei de către făină, duce la

formarea unor mici aglomerări umede separate şi datorită contactului cu apa se dezvoltă căldura

de hidratare, de aproximativ 27 cal/g de făină. Aceasta este faza de amestecare.

Continuând amestecarea se ajunge la faza de dezvoltare a aluatului, când micile aglomerări

umede se unesc într-o masă uniformă, de pe suprafaţa căreia dispare apa, şi devine netedă,

lucioasă. Acum încep să se manifeste proprietăţile elastice. Timpul de dezvoltare optimă a

aluatului este de 2…25 minute, funcţie de calitatea făinii, apa adăugată, tipul malaxorului

utilizat.

Următoarea fază este aceea de stabilitate a aluatului, în care acesta îşi menţine un timp

proprietăţile neschimbate. Durata acestei faze este dependentă, în principal, de calitatea făinii.

Ultima fază a malaxării care trebuie evitată este aceea de înmuiere caracterizată prin căderea

însuşirilor reologice (elasticitatea).

Procesele esenţiale care au loc în aluat la malaxare şi care alcătuiesc baza însuşirilor lui

fizice pe care trebuie să le aibă în procesul tehnologic sunt reprezentate de legarea apei şi

modificarea proteinelor.

Aluatul este un mediu coloidal complex care se formează în timpul procesului de malaxare a

făinii cu adaos de apă. Însuşirile reologice ale aluatului, respectiv elasticitatea şi extensibilitatea,

se datorează în cea mai mare parte glutenului care se formează în timpul procesului de malaxare

din proteinele glutenice ale făinii de grâu. Gliadinele determină extensibilitatea glutenului şi

volumul pâinii, iar gluteninele determină elasticitatea glutenului şi toleranta la malaxare a

aluatului. [Antes, S. et. Wieser, H., 2001; Huang, D.Y. et. Khan, K., 1997; Puppo, M.C., 2005]

Aluatul din făină de grâu este un corp vâscoelastic neliniar, care posedă proprietăţi care sunt

caracteristice atât corpurilor solide cât şi celor lichide, având un comportament intermediar între

corpurile solide ideale şi cele fluide. 13

deformare revenire

Deformaţie

remanentă

Timp [min]

Deformaţie

τ τ =0

γ

Fig. 2.1 Deformaţia şi revenirea pentru un corp vâscoelastic

τ - tensiunea aplicata ; γ - deformaţia

În cazul aluatului supus la solicitări o parte din energie este disipată, iar altă parte este

înmagazinată; după descărcare deformaţia fiind parţial recuperată (figura 2.1)

Proprietăţile reologice ale aluatului sunt, respectiv proprietăţile structural mecanice sunt:

elasticitatea, vâscozitatea, relaxare şi fluajul. Toate aceste proprietăţi sunt datorate în cea mai

mare parte glutenului care se formează la malaxare, dar şi modului în care acesta interacţionează

cu celelalte componente ale făinii şi ingredientele aluatului. [www.rompan.ro]

Elasticitatea este conferită de gluten, dar în special de glutenină, şi constă în faptul că

aluatul se deformează reversibil până la o anumită forţă aplicată, după care el se deformează

ireversibil.

Aluatul prezintă o elasticitate instantanee, care apare în momentul aplicării forţei, şi o

elasticitate întârziată, care apare după îndepărtarea forţei. Curba tipică pentru un material

vâscoelastic este reprezentată în figura 2.2, în care j reprezintă raportul dintre deformaţia care

apare la aplicarea unei forţe constante şi forţa aplicată, exprimat în 1/Pa. Mărimea deformaţiei j

(compilaţia) este în funcţie de calitatea făinii şi este cu atât mai mare cu cât faina este mai slabă

(figura 2.3).

Fig. 2.2 Curba tipică a unui material

vâscoelastic

Fig. 2.3 Curbe de deformare ale aluatului din făina de

grâu (1-făină puternică, 2- făină bună, 3- făină slabă)

Vâscozitatea reprezintă proprietatea corpurilor de a se opune deformării. Vâscozitatea

aluatului este o viscozitate aparentă, care spre deosebire de vâscozitatea lichidelor, depinde nu

numai de temperatură şi presiune, ci şi de o serie de alţi factori cum sunt viteza de forfecare,

procesul la care a fost supus anterior aluatul.

Relaxarea este procesul de resorbire, de scădere a tensiunilor interne din aluat, cu

menţinerea formei. Resorbirea tensiunilor se face prin trecerea treptată a deformaţiei elastice în

deformaţie plastică. Relaxarea nu are loc până la anularea tensiunilor interne, ci până la o limită

determinată, care constituie limita de elasticitate sub care relaxarea nu evoluează.

Timpul de relaxare reprezintă intervalul de timp în care tensiunea din aluat se micşorează de

2,7183 ori, respectiv cu baza logaritmilor naturali e=2,7183 14

Fluajul este proprietatea unui corp de a se deforma lent şi continuu sub acţiunea unei sarcini

constante.

Literatura de specialitate cuprinde un volum mare de informaţii cu privire la factorii care

influenţează proprietăţile reologice ale aluatului. Printre factorii care determină însuşirile

reologice ale aluatului, mai importanţi pot fi consideraţi următorii: umiditatea, presiunea,

temperatura, durata de malaxare, turaţia malaxorului, durata de fermentare, tipul de ingrediente

folosite în aluat. [www.rompan.ro]

Aluatul se apreciază prin consistenţa lui, care reprezintă o proprietate reologică complexă a

acestuia, rezultată prin efectul combinat al proprietăţilor fundamentale de vâscozitate,

plasticitate, elasticitate. Aluatul se formează din făină, sare, apă, drojdie şi alte materiale de

adaos.

Consistenţa aluatului se poate aprecia senzorial, prin pipăit, sau cu ajutorul consistometrelor

(cu penetrometre de cufundare sau cu aparate de frământare etalon – farinografe). Consistenţa

aluatului influenţează randamentul procesului tehnologic de panificaţie şi în cazul utilizării

farinografului se cuantifică convenţional prin unităţi Brabender (1 UB = 10

-3

kgf.m). Se

consideră că aluatul are o consistenţă normală atunci când acesta necesită la malaxare un

moment maxim de 500UB.

Dacă în timpul operaţiei de malaxare se măsoară momentul de torsiune se obţine curba

operaţiei de malaxare, reprezentată în figura 2.4.

Fig. 2.4 Variaţia momentului în timp la arborele malaxorului (profilul farinogramei)

Pe profilul curbei de variaţie a momentului de torsiune se disting următoarele porţiuni

caracteristice: 1’ – momentul la mersul în gol; 1” – momentul după introducerea făinii în cuvă;

AB – momentul după introducerea apei şi începutul procesului de hidratare a făinii; BC –

momentul în timpul procesului de malaxare a aluatului (momentul maxim); CD – momentul în

timpul fazei de înmuiere a aluatului dacă se prelungeşte malaxarea. Totodată, intervalele de timp

caracteristice procesului sunt: (t1 – perioada de formare (dezvoltare) a aluatului; t2 – perioada de

stabilitate; t3 – perioada de înmuiere. [Voicu, Gh., 1999; Ghimbăşan, R., 2000]

În timpul operaţiei de malaxare, momentul rezistent la arborele braţului malaxor prezintă o

variaţie crescătoare, în prima parte, atunci când are loc formarea şi dezvoltarea aluatului, atingând

o valoare maximă dincolo de consistenţa normală, după care acesta rămâne aproximativ constant

un anumit timp (faza de stabilitate), în funcţie de caracteristicile făinii. În ultima fază a malaxării

(faza de înmuiere) momentul de torsiune prezintă o variaţie uşor descrescătoare, cu cât timpul de

malaxare se prelungeşte şi cu cât calitatea făinii este mai slabă

Alura curbelor de malaxare este, în general, aceeaşi însă diferă ca nivele funcţie de cantitatea

de apă adăugată, calitatea făinii, materialele adăugate la malaxare, tipul utilajului cu care se

execută operaţia de malaxare. Pentru aceeaşi calitate a făinii şi acelaşi tip de malaxor, consistenţa

aluatului obţinut, respectiv momentul, variază invers proporţional cu cantitatea de apă adăugată la

malaxare. 15

Umiditatea reprezintă unul din factorii care influenţează proprietăţile reologice ale aluatului.

Proprietăţile reologice ale aluatului cresc până la anumite valori ale conţinutului de apă

corespunzătoare umflării maxime a proteinelor după care valoarea lor scade. La o cantitate de

apa în aluat insuficientă, nu se atinge umflarea optima a proteinelor glutenice, aluatul obţinut are

elasticitate redusă iar produsele au volum şi porozitate insuficient dezvoltate. La exces de apa

aluatul are consistenţa mică şi rezistenţă slabă iar produsele sunt aplatizate şi cu porozitate

grosiera. [Voicu, Gh., 1999; Ghimbăşan, R., 2000]

Temperatura optimă pentru aluat este de 28…30°C. În timpul procesului de malaxare,

temperatura aluatului creşte datorită pe de o parte căldurii degajate la hidratarea particulelor de

făină, iar pe de ală parte, trecerii unei cantităţi de energie mecanică în energie termică. Creşterea

temperaturii peste temperatura optimă duce la înrăutăţirea elasticităţii şi consistenţei aluatului, ca

urmare a creşterii activităţii fermentative. Scăderea temperaturii sub valoarea optimă a acesteia

micşorează plasticitatea aluatului cu urmări negative asupra calităţii produselor.

Durata malaxării reprezintă un alt factor important care influenţează proprietăţile reologice

ale aluatului. Durata malaxării semifabricatelor variază între 7 şi 12 minute, funcţie de faza de

fabricaţie, tipul utilajului de malaxare folosit, calitatea făinii şi temperatură. Malaxarea cu utilaje

care au o turaţie ridicată a braţului de malaxare determină o reducere a duratei de malaxare.

Malaxarea aluatului se consideră terminată atunci când acesta este bine legat, când s-a

asigurat omogenizarea perfectă a componenţilor, o structură corespunzătoare şi acesta se

dezlipeşte uşor de braţul şi cuva malaxorului.

Turaţia malaxorului influenţează de asemenea proprietăţile reologice ale aluatului.

Malaxarea aluatului la turaţii mari ale braţelor de malaxare determină dispersarea mai fină a

aerului în aluat, însoţită de un contact mai intim cu componentele aluatului şi de procese de

oxidare mai intense. Are loc oxidarea grupărilor tiol şi a pigmenţilor carotenoidici.

Durata de fermentare (perioada de relaxare) depinde de procesul tehnologic ales.

Proprietăţile reologice obţinute la sfârşitul fermentării trebuie să permită aluatului o reţinere

bună a gazelor de fermentare.

2.2. Stabilirea caracteristicilor energetice ale procesului de malaxare

Pornind de la curba operaţiei de frământare (figura 2.4) şi de la expresiile puterii, pentru o

turaţie constantă n (rot./min) a braţului de malaxare, se pot calcula puterea maximă Pmax şi

puterea medie Pm la malaxarea aluatului: [Voicu, Gh., 1999]]

30

max max

n

P M

π

= ;

30

n

Pm Mm

π

= (2.10)

Momentul de rotaţie mediu Mm se obţine raportând aria S de sub curbă farinografică la durata

procesului tf:

f

m

t

S

M = (2.11)

unde: tf

= ∆t1 + ∆t2 – durata de malaxare (corespunzător sfârşitului fazei de stabilitate), iar

∫

= ⋅2

0

t

t

S M dt (care se determină prin planimetrare).

Energia consumată în procesul de frământare (Ef) se obţine cu relaţia:

30 55,9

S n

t

n

E f

tP fm Mm f

⋅= = ⋅ =π

(2.12)

Pentru o turaţie constantă (n = const.), energia consumată depinde numai de aria suprafeţei

de sub curbă S: Ef

= f(S), fiind direct proporţională cu S.

Energia specifică la malaxare Esp, se determină făcând raportul între energia consumată Ef şi

masa aluatului malaxat: 16

Al

E

E

f

sp = [J/kg] (2.13)

Literatura de specialitate prezintă pentru energia specifică de malaxare valori între 10…50

J/g, evaluându-se că în practică malaxarea se termină în momentul în care aluatul s-a dezvoltat

complet.

Coeficientul de consistenţă care realizează corelaţia între valoarea consistenţei şi momentul

rezistent la braţul malaxorului se poate determina din relaţia:

max

5.0

M

k = (2.14)

unde: 0.5 reprezintă consistenţa normală, în daN⋅m, iar Mmax – momentul rezistent maxim,

exprimat în aceleaşi unităţi de măsură.

Astfel, puterea necesară antrenării braţului de malaxare se calculează cu relaţia:

P P P P [W ] = h + d + f

, (2.15)

unde: Ph reprezintă puterea pentru ridicarea aluatului;

Pd este puterea necesară desprinderii aluatului de pe pereţii cuvei;

Pf

reprezintă puterea necesară pentru ruperea (forfecarea) aluatului;

P (k k G S C S ) r [W] = s

⋅g

⋅ + pc

⋅ + r

⋅σ r

⋅max

⋅ω , (2.16)

unde: ks - este un coeficient de simultaneitate a acţiunii braţului de malaxare asupra aluatului

(ks=0,5…0,7); kg - este coeficientul centrului de greutate al aluatului (kg=0,7); G - forţa

gravitaţională a aluatului, în [N]; rmax - raza maximă a braţului de malaxare, în [m]; Spc –

suprafaţa peretelui cuvei de pe care se desprinde aluatul, în [m

2

]; Sr – suprafaţa de rupere a

aluatului, în [m

2

]; C – forţa de adeziune a aluatului la pereţii cuvei (

5 2

Cr = 5 ⋅10 N / m ); σr–

tensiunea de rupere a aluatului (

5 2

σ r = 4 ⋅10 N / m ), iar ω este viteza unghiulară.

Pentru determinarea vitezelor periferice ale braţului de malaxare, se cunosc turaţiile

acestuia, iar calcului va fi efectuat mai întâi pentru treapta rapidă, iar apoi pentru treapta lentă.

Schema cinematică a malaxorului pentru care se efectuează calculul este cea prezentată în

figura 2.9.

Fig. 2.9 Schema cinematică Malaxor SL 50

Ştiind că

60 30

2πn πn

ω = = şi v = R ⋅ω , rezultă

30

R n

v

π

= .

Astfel pentru n=90 rot/min, viteza periferică exterioară a braţului va fi:

v 153.0 m /s

30

25.16 10 14.3 90

3

90 =

⋅ ⋅ ⋅=

−

(

1

42.9

−

ω = s ), iar pentru n=180 rot/min, aceasta va avea 17

valoarea: v 361.0 m /s

30

25.16 10 14.3 180

3

180 =

⋅ ⋅ ⋅=

−

, (

1

84.18

−

ω = s ), unde ω reprezintă viteza

unghiulară.

2.3. Echipamente utilizate la malaxarea aluaturilor în industria

panificaţiei

Malaxoarele clasice nu pot fi utilizate în tehnologia dezvoltării mecanice a aluatului. Efectul

unui malaxor cu acţiune rapidă nu poate fi obţinut cu ajutorul unui malaxor cu acţiune lentă,

chiar dacă acesta funcţionează un timp suficient de lung pentru ca aluatului să i se transmită

aceeaşi cantitate de energie, deoarece, în afară de cantitatea de energie, este foarte importantă şi

viteza de efectuare a operaţiei.

În prezent există diferite tipuri de malaxoare care sunt utilizate în industria panificaţiei.

Astfel malaxoarele pot fi clasificate conform figurii 2.10.

Fig.2.10 Clasificarea malaxoarelor folosite în industria panificaţiei

• Malaxoare cu cuvă fixă

Părţile malaxorului cu braţ spiral model Silver 60…280 (figura 2.19) care intră în contact cu

aluatul (cuva, braţul spiral şi axul opritor) sunt confecţionate din oţel inoxidabil, malaxorul

prezentând două motoare electrice, atât pentru rotirea cuvei, cât şi pentru rotirea braţului spiral,

având o rezerva mare de putere

Fig. 2.19 Malaxorul cu braţ spiral Silver

60…280

Fig. 2.20 Malaxorul cu braţ spiral Greenline

50…120

Malaxorul cu braţ spiral Greenline 50…120 (figura 2.20) are un singur motor electric

(pentru rotirea cuvei şi rotirea braţului spiral) cu randament ridicat şi fiabilitate sigură în timp.

Cuva şi braţul spiral au două viteze de rotaţie, plus sens invers de rotaţie în prima viteză. Panoul

de comandă are 2 temporizatoare digitale, iar trecerea dintr-o viteză în alta se face automat. După

ă18

expirarea timpului de malaxare, pentru o mai uşoară extracţie a aluatului, cuva se poate roti

independent faţă de braţul spiral. Malaxorul este montate pe roţi.

Malaxoarele cu cuvă fixă - linia SL sunt special destinate pentru aluaturi cu densitate mare.

Fig. 2.21 Malaxorul cu

cuvă fixă - linia SL

Fig. 2.22 Malaxorul cu braţ

spiral şi cuvă extractibilă

Gostol SMH N

Fig. 2.23 Malaxorul cu

braţ spiral

Acest tip de malaxor garantează o rezervă mare de putere - datorită celor două motoare

electrice cu care este dotat, unul pentru rotirea cuvei şi al doilea pentru rotirea braţului spiral.

Braţul spiral are două viteze de rotaţie: viteza I - 90 rotaţii/minut şi viteza II - 180 rotaţii/minut,

trecerea dintr-o viteză în alta realizându-se în mod automat. Malaxorul este dotat cu două

temporizatore cu afişaj electronic ce permit oprirea malaxorului după expirarea timpului de

malaxare programat.

• Malaxoare cu braţ spiral şi cuvă extractibilă

Malaxoarele cu braţ spiral şi cuvă extractibilă Gostol SMH N, Slovenia (figura 2.22) dispun

de două viteze de rotaţie, temporizator pentru fiecare viteză şi trecere automată de la o viteză la

cea de a doua. Fixarea cuvei se face prin intermediul unui puternic electromagnet, având

avantajul eliminării părţilor mecanice supuse uzurii în timp.

Malaxoare cu braţ dublu spiral (figura 2.23) sunt utilizate în industria panificaţiei, acestea

având o serie de avantaje, printre care putem aminti: creşterea capacităţii de hidratare a făinii

(scade astfel consumul de făină); obţinerea de produse cu porozitate fină şi uniformă, timp de

malaxare redus (4-6 minute de malaxare în comparaţie cu 10-12 minute de malaxare la un

malaxor cu o singură spiră).

• Malaxor autorăsturnător cu cuvă fixă

Fig. 2.24 Malaxorul autorăsturnător cu cuvă fixă SAU

În cazul malaxorului autorăsturnător cu cuvă fixă SAU (figura 2.24) descărcarea aluatului se

poate face atât direct în pâlnia de alimentare a maşinii de divizat cât şi pe masa de lucru.

Operaţia de malaxare realizată în oricare dintre malaxoarele prezentate, este caracterizată

prin exercitarea unor acţiuni complexe din partea dispozitivului de malaxare asupra aluatului.

Datorită consistenţei mărite a aluaturilor, dispozitivul de malaxare, cu dispunere centrală sau

excentrică, provoacă antrenarea aluatului numai în zona lui de activitate, în apropierea pereţilor

cuvei existând posibilitatea apariţiei unor zone din care aluatul nu se deplasează. 19

3. NECESITATEA ŞI OBIECTIVELE LUCRĂRII DE DOCTORAT

3.1. Necesitatea lucrării

Malaxarea este o operaţie fundamentală în tehnologia panificaţiei. Rolul ei constă în

obţinerea unui aluat omogen, legat, nelipicios, tenace, elastic şi extensibil. Aceste caracteristici

ale aluatului depind de calitatea făinii, cantitatea de apă adăugată, aerul inclus şi condiţiile de

malaxare. Dezvoltarea mecanică a aluatului se obţine atunci când, la malaxare, aluatul este supus

unui regim cinematic şi dinamic optim.

Viteza cu care se consumă energia transmisă aluatului la malaxare este influenţată de

consistenţa aluatului.

3.2. Obiectivele lucrării

Obiectivul general al tezei de doctorat constă în optimizarea energetică a procesului

tehnologic de malaxare a aluatului de panificaţie. Pentru îndeplinirea obiectivului principal

este necesară parcurgerea şi rezolvarea următoarelor obiective subsidiare:

realizarea unui studiu privind importanţa pâinii în alimentaţie, materiile prime şi

auxiliare ce pot fi utilizate şi condiţiile de calitate pe care acestea trebuie să le îndeplinească;

analiza stadiului actual al tehnologiilor folosite pentru obţinerea produselor de

panificaţie;

evaluarea teoretică a parametrilor care caracterizează comportarea reologică a

aluaturilor, precum şi identificarea factorilor ce influenţează consumul de energie în procesul de

malaxare a aluatului;

analiza stadiului actual al cercetărilor şi realizărilor în domeniul echipamentelor

pentru malaxarea aluatului;

modelarea şi simularea dinamicii aluatului de pâine, ca sistem reologic complex, şi

modelarea matematică a comportării aluatului la malaxare prin utilizarea de programe

specializate, urmate de interpretarea rezultatelor obţinute;

întocmirea unei metodici de lucru, stabilirea obiectivelor pentru cercetarea

experimentală a dinamicii aluatului de pâine şi analiza consumului de energie a echipamentelor

pentru malaxarea aluaturilor cu compoziţii şi consistenţe diferite;

stabilirea unor concluzii referitoare la consumul de energie utilizat în procesul de

malaxare şi a posibilităţilor de reducere a acestuia;

indicarea direcţiilor viitoare de cercetare legate de această temă.

Pentru rezolvarea cât mai completă şi la un nivel ştiinţific şi tehnic corespunzător a

cerinţelor lucrării de doctorat, s-a conceput un program general al cercetărilor teoretice şi

experimentale, prezentat în figura 3.1.

Programul de lucru urmăreşte realizarea modelului reologic al sistemului analizat – aluatul

de panificaţie. Acest program trebuie să fie capabil de a analiza optimizarea consumului

energetic prin corelarea rezultatelor cercetării experimentale cu cele rezultate din modelul

matematic. 20

Fig. 3.1 Programul cercetărilor teoretice şi experimentale

4. MODELAREA ŞI SIMULAREA DINAMICII ALUATULUI ŞI A

PROCESULUI DE MALAXARE A ACESTUIA

Prelucrarea mecanică a aluatului influenţează considerabil însuşirile acestuia şi implicit

calitatea produsului finit. Prelucrarea mecanică amplifică viteza proceselor care se petrec în aluat

şi care determină maturizarea acestuia, fiind unul dintre mijloacele principale de reglare a

însuşirilor acestuia. [Bordei, D., 2005]

Aluatul se comportă asemenea unui fluid vâscoelastic, disipând numai o parte din energia

care i se furnizează (componenta vâscoasă). În timpul prelucrării mecanice, la malaxare, o altă

parte din energie se conservă (componenta elastică).

Caracterizarea reologică a aluatului este dificilă datorită comportamentului său vâscoelastic

neliniar, iar în acest scop pot fi utilizate modele de complexitate mai redusă.

4.1. Modele reologice vâscoelastice

Malaxarea aluatului de panificaţie prezintă o dinamică deosebit de complexă, motiv pentru

care, considerarea simultană a tuturor factorilor de influenţă ar duce la o formulare matematică

complicată. De aceea, fenomenele care au loc în aluat sunt analizate prin ipoteze simplificatoare

cu eliminarea factorilor mai puţin importanţi şi păstrarea numai a acelora cu rol determinant.

Această abordare permite realizarea unor modele teoretice.

Sistemele reologice sunt utilizate în prezent în diverse domenii inginereşti. Comportarea lor

este caracterizată de existenţa unui timp de reacţie sau de întârziere între momentul aplicării

forţei şi răspunsul sistemului. Aceste elemente pot fi expuse cu ajutorul modelelor reologice care

Studierea stadiului actual al tehnologiilor utilizate pentru

obţinerea pâinii

Studiul comportării reologice a aluaturilor de panificaţie

Analiza stadiului actual al echipamentelor utilizate la

malaxarea aluatului de panificaţie

Identificarea mărimilor ce caracterizează consumul de

energie în procesul de malaxare

Modelarea şi simularea dinamicii sistemului reologic aluat

şi modelarea comportării aluatului la malaxare

Cercetarea experimentală a dinamicii aluatului şi a

consumului de energie în procesul de malaxare pentru

obţinerea acestuia

Analiza şi compararea rezultatelor teoretice şi experimentale

în vederea optimizării procesului tehnologic de malaxare a

aluatului de pâine

Optimizar21

sunt constituite prin diferite combinaţii ale modelelor liniare elastice şi vâscoase: Hooke şi

Newton. Acestea se utilizează pentru a studia comportarea sistemelor reologice reale.

Modelul reologic este o expresie matematică între solicitare, răspuns şi proprietăţi sau mai

precis între tensiuni, deformaţii sau viteza de deformare şi coeficienţii de material.

Caracterizarea cantitativă a proprietăţilor reologice ale aluaturilor de panificaţie este dificilă

tocmai datorită comportamentului vâscoelastic neliniar al acestuia. [Marin, C., 2010]

În funcţie de tipul de solicitare la care este supus modelul, lucrarea îşi propune studierea

comportării sistemului aluat pentru următoarele cazuri particulare: fluajul acestuia sau solicitarea

cu o forţă constantă de tip treaptă; descărcarea după fluaj; relaxarea forţei sau solicitarea cu o

sarcină ce variază astfel încât deformaţia să rămână constantă; anularea deformaţiei după

relaxare; solicitarea cu sarcină armonică; solicitarea cu impulsuri dreptunghiulare.

4.2. Studiul fluajului şi descărcarea după fluaj a sistemelor reologice

Mediul continuu vâscoelastic ideal prezintă atât proprietăţi elastice cât şi proprietăţi

vâscoase ce caracterizează şi comportarea unor materiale reale cum ar fi aluaturile de panificaţie.

Aceste proprietăţi se pot pune în evidenţă prin experienţele de fluaj şi descărcarea după fluaj.

Fluajul este fenomenul de creştere lentă, progresivă a deformaţiilor mediului vâscoelastic

atunci când asupra mostrei se aplică o sarcină constantă care produce în material o tensiune de

întindere σ0. Sub acţiunea acestei sarcini se produce în primul moment o deformaţie elastică

instantanee ε1, după care are loc o deformaţie plastică ce tinde în timp spre o valoare limită

ε

0 = σ 0

/ E numită deformaţie întârziată (fig.4.1).

Descărcarea după fluaj este fenomenul care se produce după o experienţă de fluaj, când în

material s-a produs deformaţia specifică ε2, când încetează acţiunea sarcinii exterioare.

Fenomenul descărcării după fluaj constă într-o revenire elastică instantanee în primul moment

urmată de o deformaţie plastică permanentă care tinde asimptotic spre o valoare ε3, numită

deformaţie remanentă (fig.4.1).

Fig.4.1 Diagrama de fluaj şi descărcare după fluaj [Marin, C., 2010]

4.3. Relaxarea forţei şi anularea deformaţiei după relaxare

Fenomenul de relaxare a forţei constă în scăderea progresivă a sarcinii aplicate mostrei de

aluat, respectiv a tensiunii de întindere σ, după ce aceasta a suferit o anumită deformaţie

specifică ε2, în scopul păstrării constante a acestei deformaţii (fig.4.2). 22

Fig.4.2 Diagrama de relaxare şi anularea deformaţiei după relaxare [Marin, C., 2010]

Anularea deformaţiei după relaxare este fenomenul care se produce la schimbarea sensului

sarcinii aplicate, respectiv a tensiunii (din pozitivă aceasta devine negativă). După inversarea

sensului tensiunii în primul moment are loc o revenire elastică instantanee, după care, sub

acţiunea sarcinii negative deformaţia scade progresiv trecând prin zero spre valori negative. În

momentul în care deformaţia negativă este egală ca valoare cu deformaţia elastică instantanee

corespunzătoare revenirii elastice, se anulează tensiunea negativă -σ2, elementul revenind la o

deformaţie specifică nulă (fig. 4.2).

Proprietăţile vâscoelastice de fluaj şi relaxare ale aluaturilor de panificaţie sunt influenţate în

mod hotărâtor de temperatură.

4.4. Modelul liniar elastic Hooke

Legea de comportare a unui mediu liniar elastic corespunzătoare modelului Hooke arată că

în cazul unei experienţe de fluaj sau o încărcare cu un semnal de tip treaptă având tensiunea σ0 se

produce instantaneu o deformaţie specifică ε0 conform relaţiei: [Steffe, G., 1996]

ε

0 = σ 0

/ E , (4.1)

în care E este modulul de elasticitate longitudinal.

La anularea sarcinii exterioare are loc o revenire elastică instantanee cu aceeaşi valoare a

deformaţiei ε=σ0/E (fig. 4.3). Modelul liniar elastic Hooke răspunde imediat la semnalul aplicat

printr-o valoare a deformaţiei, proporţională cu aceasta.

În cazul încărcării cu un semnal de tip treaptă negativ -σ0 se produce o deformaţie elastică

instantanee negativă: ε=-σ0/E.

În cazul încărcării cu un semnal armonic, răspunsul este o deformaţie armonică

proporţională cu semnalul, de aceeaşi pulsaţie şi în fază cu acesta. Modelul Hooke nu produce

defazaj între încărcare şi răspuns. [43; 45]

Fig.4.3 Comportarea modelului Hooke la o încărcare de tip treaptă şi descărcare[Marin, C.,

2010]23

4.5. Modelul liniar vâscos Newton

Modelul liniar vâscos Newton supus unei experienţe de fluaj arată o lege liniară de

comportare la un semnal de tip treaptă, datorită proporţionalităţii între viteza de variaţie a

deformaţiei specifice ε& şi tensiunea corespunzătoare:

σ

λ

ε

1

& = , (4.2)

în care λ este coeficientul de vâscozitate al modelului Newton.

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale (4.2), cu dererminarea constantei de integrare C, din

condiţii iniţiale, se obţine relaţia liniară reprezentată în figura 4.4:

t C dtt t t

t

λ

σ

σ ε

λ

ε

0

0

)( )(

1

)( = + ⇒ =

∫

(4.3)

Fig.4.4 Comportarea modelului liniar vâscos Newton la un semnal de tip treaptă şi la

descărcare [Marin, C., 2010]

La anularea sarcinii exterioare nu mai au loc nici un fel de deformaţii, deformaţia ε1=σ0/E

păstrându-şi valoarea (fig.4.3). Modelul liniar vâscos Newton nu răspunde imediat la semnalul

aplicat, ci treptat după o lege liniară. În cazul încărcării cu un semnal de tip treaptă negativ -σ0 se

produc deformaţii plastice în sens negativ, conform relaţiei (4.3): ε t)( = ε

1 −σ 0

t / λ . În cazul

încărcării cu un semnal armonic, răspunsul este o deformaţie armonică proporţională cu

semnalul, de aceeaşi pulsaţie dar defazat cu π/2. Dacă se aplică o sarcină armonică

σ σ sinωt = 0

, conform relaţiei (4.3) se obţine următorul răspuns:

= + = − ⇔ = + −

∫

2

sin cos )( sin

1

)(

0

0

0

0

0

0

π

ω

λω

σ

ω ε ε

λω

σ

ω ε

λ

ε t ε tdt t t t

t

(4.4)

Pentru studiul comportării materialelor de tip vâscoelastic (ex. aluatul de pâine) se folosesc

diferite modele reologice având la bază modele liniare prezentate, a căror legi de comportare

sunt caracterizate de ecuaţii diferenţiale ordinare cu coeficienţi constanţi care se pot scrie sub

formă generală astfel:

b ε + b ε& + b ε&& + ... = a σ + a σ& + a σ&& + ...

0 1 2 0 1 2

(4.5)

Simularea dinamicii sistemului aluat se face în continuare pentru următoarele modele:

Kelvin- Voigt, Maxwell şi Burgers, utilizând mediul de programare MATLAB Simulink.

4.6. Modelul matematic vâscoelastic Kelvin-Voigt

Modelul vâscoelastic Kelvin-Voigt este un model folosit frecvent în modelarea şi simularea

dinamicii sistemelor reologice, fiind format dintr-un element liniar elastic Hooke şi un element 24

de amortizare vâscoasă de tip Newton, legate în paralel ca în figura 4.9. Acest model posedă

elasticitate amortizată. [Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.9 Modelul vâscoelastic Kelvin-Voigt

Pentru a deduce ecuaţia diferenţială a modelului vâscoelastic Kelvin-Voigt se observă că

deformaţia celor două elemente este aceeaşi, iar tensiunea σ este egală cu suma tensiunilor

corespunzătoare celor două elemente:

ε

k = ε

c = ε ; , σ k +σ c = σ (4.6)

în care:

λ

σ

ε

σ

ε

c

c

k

k

E

= ; conform rela & = ţiilor (4.1) şi (4.2).

Înlocuind relaţiile (4.1) şi (4.2) în (4.6) se obţine ecuaţia diferenţială a modelului KelvinVoigt:

σ = Eε + λε& ⇔ ( )t

E

σ

τ

ε

τ

ε

1 1

& + = , (4.7)

unde s-a notat cu τ = λ / E timpul de întârziere al modelului Kelvin-Voigt (parametru intrinsec

ale mediului vâscoelastic, direct proporţional cu coeficientul de amortizare vâscoasă).

Ecuaţia diferenţială (4.7) are soluţia generală de forma:

( )

( ) ( )

( )t

t dtt

E

C

t

ρ

σ ρ

τ

ε

∫

+

=

1

, (4.8)

în care: ( )

τ

τ

ρ

t

t dt = e

=

∫

1

exp , (4.9)

iar C este o constantă care se determină din condiţiile iniţiale.

Înlocuind expresia (4.9) în soluţia (4.8) rezultă soluţia generală a modelului Kelvin-Voigt,

valabilă pentru orice tip de sarcină aplicată σ(t):

( ) ( )

τ τ

σ

τ

ε

t s t

s e ds e

E

t C

−

= + ⋅

∫

0

1

(4.10)

În continuare este prezentată dinamica modelului Kelvin-Voigt pentru diferite cazuri de

încărcare prezentate la paragraful 4.1. 25

În figurile 4.12.a,b se prezintă schema bloc şi rezultatele obţinute folosind programul

SIMULINK.

Fig. 4.12.a. Schema bloc SIMULINK pentru fluaj şi descărcarea după fluaj

f1 t( ) 0.09 8 exp t := ⋅ ( ) − f1 4( ) 1. 79 5 10

− 3

= ×

0 1 2 3 4

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

f1 t( )

t

Fig. 4.11 Simularea comportării la descărcarea după fluaj pentru modelul Kelvin-Voigt

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

0 1 2 3 4

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

f1 t( )

t

Fig. 4.10 Simularea comportării la fluaj pentru modelul Kelvin-Voigt 26

Fig. 4.12.b. Răspunsul modelului la fluaj şi descărcarea după fluaj

Comportarea la fluaj şi la descărcarea după fluaj a modelului Kelvin-Voigt (figura 4.12b) nu

indică deformaţii elastice instantanee, indicând o variaţie asimptotică spre 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 4

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

f1 t( )

f2 t( )

t

Fig. 4.15 Simularea încărcării armonice


SIMULINK.

Fig. 4.16.a. Schema bloc SIMULUNK pentru simularea încărcării cu o sarcină armonică27

Fig. 4.16.b. Răspunsul modelului la simularea încărcării cu o sarcină armonică

Comportarea la acţiunea unor sarcini armonice a modelului Kelvin-Voigt arată un defazaj

între sarcina armonică aplicată şi răspunsul armonic în regim staţionar, modelul putând fi astfel

folosit pentru descrierea comportării aluatului, datorită lipsei componentei de deformare elastică

iniţială.

4.7. Modelul matematic vâscoelastic Maxwell

Modelul vâscoelastic Maxwel este un model format dintr-un element liniar elastic Hooke şi

un element liniar vâscos Newton legate în serie ca în figura 4.23, care permite interpretarea

curbelor de relaxare a tensiunii. [Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.23. Modelul vâscoelastic Maxwell

Pentru a deduce ecuaţia diferenţială a modelului vâscoelastic Maxwel se observă din figura

4.23 că tensiunea σ în cele două elemente are aceeaşi valoare iar deformaţia totală ε este egală cu

suma deformaţiilor celor două elemente:

λ

σ

σ ελ ε

σ

σ ε ε

ε ε ε ε ε ε

σ σ σ

c

c c c

k

k k k

k c k c

c k

E

E

= ⇒ =

= ⇒ =

= + ⇒ = +

= =

& &

&

&

& & &

(4.45)

Eliminând

k c

ε si ε se obţine relaţia diferenţială a modelului Maxwel:

= + ⇔ = + σ

τ

ε σ

λ

σ σ

ε

1 1

& &

&

&

E E

, (4.46)

unde s-a notat: τ = λ / E timpul de întârziere al modelului.

Soluţia ecuaţiei diferenţială (4.46) se obţine prin integrare directă:

( ) ( )

( )

∫

= + + dt

t

t

E

t C

τ

σ

ε σ&

1

, (4.47)

în care C este o constantă de integrare care se determină din condiţiile iniţiale: 28

t=0 ⇒ ( )

0

ε 0 = ε (4.48)

Soluţia (4.47) este valabilă pentru orice tip de sarcină aplicată σ(t).

Pentru cazul particular al aplicării unei sarcini de tip treaptă ( ) σ = σ 0

t , soluţia (4.47) devine:

( )

( )

E

t t

t C

τ

σ

ε

0 − 0

= + , (4.49)

în care constanta C se determină din condiţia iniţială la t0.

La aplicarea sarcinii constante de tip treaptă ( ) σ = σ 0

t datorită elementului Hooke, modelul

Maxwell suferă o deformaţie instantanee egală cu:

E

0

0

σ

ε = (4.50)

Înlocuind în relaţia (4.49) se obţine constanta de integrare:

E

C

σ 0

= (4.51)

Înlocuind constanta C soluţia (4.49) pentru fluaj devine:

( )

−

= +

τ

σ

ε

0 0

1

t t

E

t (4.52)

Soluţia (4.52) este o funcţie liniară având forma din figura 4.24.


SIMULINK .

Fig. 4.25.a. Schema bloc SIMULINK pentru fluaj şi descărcarea după fluaj pentru modelul

Maxwell

Fig. 4.25.b. Răspunsul modelului Maxwell la fluaj şi descărcarea după fluaj29

În cazul unei sarcini armonice de forma:

σ (t) σ sinωt = 0

(4.63)

soluţia (4.47) devine:

( ) dt

t

t

E

t

t

∫

= + +

0

0

0

sin

cos

τ

ω

ω ω

σ

ε ε (4.64)

Efectuând integrala din relaţia (4.57) se obţine:

( )

( ) ( )

0

22

0

0

0

0

sin

1

cos

sin

−

+

= +

= + −

t

E

t

t

t

E

t

ω

ω τ

σ

ε ε

ωτ

ω

ω

σ

ε ε

(4.65)

Defazajul ϕ0 între sarcina aplicată şi răspunsul modelului este:

τω

ϕ

1

tg

0 = (4.66)

Pentru cazul particular ε0=2, 1 σ 0 = , 10

0

=

E

σ

, ω=10 şi τ =1 soluţia (4.65) şi sarcina

armonică aplicată (4.63) au forma din figura 4.29.

Defazajul depinde de pulsaţia sarcinii armonice aplicate cât şi de timpul de întârziere τ .

Pentru valorile numerice de mai sus rezultă:

/1( ) 1,0 71,5( )

0

0 ϕ = arctg τω = rad (4.67)

f1 t( ) sin 10t( ) :=

f2 t( ) 2 10 sin 10 t ( ) ⋅1

10

− cos 10 t ( ) ⋅

⋅+:=

0 0.5 1 1.5 2

10

5

0

5

10

15

f1 t( )

f2 t( )

t

Fig. 4.29 Simularea încărcării cu o sarcină armonică


SIMULINK.

Fig. 4.30.a. Schema bloc pentru simularea încărcării cu o sarcină armonică30

Fig. 4.30.b. Răspunsul modelului la încărcarea cu o sarcină armonică

4.8. Modelul matematic vâscoelastic Burgers

Modelul vâscoelastic Burgers este un model folosit în modelarea şi simularea dinamicii

aluaturilor, obţinut prin legarea în serie a unui model Kelvin-Voigt şi un model Maxwell (figura

4.35). Prezenţa unui amortizor liber, a unui arc liber şi a unui cuplu format dintr-un arc şi un

amortizor, conferă corpului viscozitate, elasticitate instantanee, şi elasticitate întârziată.

[Verhlest, M., 2001; Steffe, G.F., 1996]

Fig. 4.35 Modelul vâscoelastic Burgers

Pentru a deduce ecuaţia diferenţială a modelului vâscoelastic Burgers se observă din figura

4.35 că tensiunea σ în cele două elemente Kelvin-Voigt şi Maxwell are aceeaşi valoare iar

deformaţia totală ε este egală cu suma deformaţiilor elementelor:

1 1 1 11 11

2 2

1 2 2 1

1

1

1

1

1

1 1 1 1

2

2

2

2

2

1 2 2 2

1 2 2

; ;

; ;

;

σ σ σ σ ε ελ

λ

σ σ

ε ε ε ε ε ε

λ

σ

ε

σ

ε ε ε ε

λ

σ

ε

σ

ε ε ε ε ε

σ σ σ σ

&

&

& & & & & &

&

&

= + ⇒ = +

= + + ⇒ = + +

= = = =

= + + = =

= = =

E

E

E

E

k c

k c

c

c

k

k c k

c

c

k

k c k

c k

(4.81)

Eliminând pe ε1 din cele două relaţii se obţine o ecuaţie diferenţială de ordinul al II lea cu

coeficienţi constanţi neomogenă:

2

1

2

1

2

1

2

1

1 1 1

λ

σ

λ

λ

σ

λ

λε ε σ

E

E

E

E

E +

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

Soluţia ecuaţiei (4.82) este de forma:

(t) (t) (t)

om p

ε = ε + ε , (4.83) 31

în care:

1

1

1 2

)(

λ

ε

E

om

t C C e

−

= + este soluţia ecuaţiei omogene; (t)

p

ε este o soluţie particulară a

ecuaţiei diferenţiale, iar C1 şi C2 constante care se determină din condiţiile iniţiale ale funcţiei

ε (t).

Pentru cazul particular al unei sarcini constante de tip treaptă ( ) σ = σ 0

t soluţia (4.83)

devine:

( )t C C e t

t

E

2

0

1 2

1

1

λ

σ

ε

λ

= + +

−

(4.84)

Constantele C1 şi C2 se determină din condiţia la momentul iniţial:

)0( )0( 0

2

0

= ε =

σ

ε si &

E

(4.85)

Înlocuind în (4.84) rezultă constantele C1 şi C2:

2

1

1

0

2

1

2

2

1

2

0

1 1 ;

λ

σ λ

λ

σ λ

E

C

E

E

E

C =

= − (4.86)

Înlocuind constantele C1 şi C2 în expresia (4.84) a soluţiei se obţine:

( ) e t

E E

t

t

E

2

0

2

1

1

0

2

0 1

1

1

λ

σ

λ

σ σ λ

ε

λ

+

= − −

−

(4.87)

Se obţine o curbă exponenţială care admite o asimptotă de ecuaţie:

( ) t

E

E

E

ty

2

0

2

1

1

2

2

0

1

λ

σ

λ

σ λ

+

= − (4.88)

Pentru cazul particular al valorilor parametrilor: 10 σ 0 = , E1=10, E2 =5 , λ1=10, λ2=2

soluţia dată de relaţia (4.87) şi asimptota (4.88) au forma din figura 4.36.

După un timp t1 =2s se obţine o deformaţia:

1 1 677.7

2

0

2

1

1

0

2

0

1

1

1

1

+ =

= − −

−

e t

E E

t

E

λ

σ

λ

σ σ λ

ε

λ

(4.89)

Fig. 4.36 Răspunsul la fluaj al modelului Burgers 32

În figura 4.37.b se prezintă rezultatele obţinute folosind programul SIMULINK.

Fig. 4.37.b. Rezultatul simulării fluajului pentru modelul Burgers

În cazul descărcării după fluaj a modelului Burgers, dacă după fluaj s-a obţinut deformaţia

1

ε , în cazul unei sarcini nule înlocuind în ecuaţia diferenţială (4.82) σ (t) = 0 se obţine ecuaţia

diferenţială de ordinul al doilea omogenă:

&&λε

1 + ε&E1 = 0 (4.90)

avînd soluţia de forma: ( )

t

E

t C C e

1

1

1 2

λ

ε

−

= + (4.91)

Constantele C1 şi C2 se determină din condiţia la momentul iniţial:

2

0

1

)0( ( )

λ

σ

ε = ε si ε ∞ = (4.92)

Rezultă:

2

0

2 1

2

0

1

;

λ

σ

ε

λ

σ

C = C = − (4.93)

Înlocuind Constantele C1 şi C2 în soluţia (4.91) se obţine:

( )

t

E

t

E

t e e

1

1

1

1

1

2

0

1

λ λ

ε

λ

σ

ε

− −

+

= − (4.94)

Pentru cazul particular 10 σ 0 = , E1=10, E2 =5 , λ1=10, λ2=2 soluţia dată de relaţia (4.94)

are forma din figura 4.38.

Fig. 4.38 Răspunsul la descărcarea după fluaj a modelului Burgers

În figura 4.39.b se prezintă rezultatele obţinute folosind programul SIMULINK. 33

Fig. 4.39.b. Rezultatul simulării descărcării după fluajul modelului Burgers

Comportarea la fluaj şi la descărcarea după fluaj a modelului Burgers indică deformaţii

elastice instantanee şi o variaţie asimptotică asemenea modelului Maxwell.

Dacă în modelul Burgers s-a produs deformaţia remanentă ε1 şi dacă se menţine constantă

această deformaţie (ε& = ,0 ε&& = 0), atunci tensiunea scade exponenţial conform ecuaţiei (4.82)

care devine:

1 0

2

1

2

1

2

1

2

1

+ =

+ + +

λ

σ

λ

λ

σ

λ

σ

E

E

E

E

&& & (4.95)

Astfel se obţine soluţia de forma:

tr tr

t C e C e

1 2

1 2

)(

− −

σ = + , (4.96)

în care: r1 şi r2 sunt rădăcinile ecuaţiei caracteristice:

1 0

2

1

2

1

2

1

2

2 1

+ =

+ + +

λ λ

λ λ E

E

E

r

E

r (4.97)

C1 şi C2 sunt constante care se determină din condiţiile iniţiale:

)0( 0 0

)0(

11 2 2

0 1 2 0

= ⇒ − − =

= ⇒ + =

Cr r C

C C

σ

σ σ σ

&

(4.98)

Rezultă soluţia de forma: ( )

tr tr

er er

r r

t

1 2

2 1

2 1

0

)(

− −

−

−

=

σ

σ (4.99)

Pentru cazul particular 10 σ 0 = , E1=10, E2 =5 , λ1=10, λ2=2 soluţia este de forma:

( )

( )

( )

( )

[ ]

t t

t e e

65.02 65.02

2 5.0 6 2 5.0 6

6

10

)(

−− +−

σ = − + − − − (4.100)

şi este reprezentată în figura 4.40. 34

Fig. 4.40 Răspunsul la relaxare a modelului Burgers

În figura 4.41.b se prezintă rezultatele obţinute folosind programul SIMULINK.

Fig. 4.41.b. Rezultatul simulării relaxării modelului Burgers

Comportarea la relaxare a modelului Burgers arată că aceasta se produce sub acţiunea unei

sarcini ce scade asimptotic spre zero.

4.9. Simularea procesului de malaxare a aluatului folosind metode

numerice

Utilizarea fluidelor non-newtonian cu vâscozitate crescută este frecventă în multe operaţii

industriale, în special, în procesele de malaxare. Aceste fluide au adesea proprietăţi reologice

complexe, care pot creşte costurile de operare. Vâscozitatea este una dintre cele mai importante

proprietăţi ale aluatului, proprietăţi reologice care variază în timp. Aluatul de pâine prezintă un

comportament vâscoelastic complex. La scară macroscopică, acesta este un mediu continuu

omogen, a cărui comportare reologică este vâscoelastică, şi depinde de conţinutul de umiditate şi

temperatură. La o scara microscopică, comportarea aluatului depinde de interacţiunile între

componente, făină, apă, drojdie.

Amestecarea diferitelor ingrediente trebuie să confere aluatului omogenitate, fiind o operaţie

crucială în industria de panificaţie, prin care făină de grâu, apa, precum şi ingredientele

suplimentare, sunt modificate prin fluxul de energie mecanică în aluat legat. Proprietăţile

aluatului sunt puternic influenţate de modul de amestecare a componentelor.

Dimensiunile spaţiului de amestecare şi cantitatea de material malaxat joacă un rol

important în formarea aluatului şi influenţează proprietăţile acestuia.

Acest studiu abordează simularea numerică tridimensională a malaxării aluatului de

panificaţie într-un malaxor cu braţ elicoidal şi cuvă fixă – model SILVER 50, cu scopul de a

dezvolta o tehnologie avansată pentru modelarea procesului de malaxare a aluatului, şi pentru a

putea oferi o capacitate de predicţie a parametrilor optimi de proiectare a acestui tip de malaxor.

Malaxorul Silver 50 prezintă un braţ elicoidal amplasat excentric faţă de cuva de malaxare. 35

Braţul de malaxare spiral are o mişcare de rotaţie în jurul unei axe verticale proprii, în interiorul

cuvei malaxorului, într-o orientare verticală, întreg ansamblul fiind amplasat într-un sistem

cartezian tridimensional. Studiul a fost realizat pentru cazul în care cuva malaxorului este

umplută la capacitatea maximă.

Mişcarea fiecărei particule de aluat poate fi descrisă printr-un sistem explicit de ecuaţii

Euleriene. Procedura de simulare abordează rezolvarea numerică a ecuaţiilor Navier-Stokes în

formă generală, pentru fluide incompresibile.

În acest studiu este aplicat un pachet CFD (Computational Fluid Dynamics), pentru a

construi modelul de calcul şi pentru estimarea rezultatelor.

Procesul de modelare CFD (fig. 4.42) în vederea îmbunătăţirii performanţei unui sistem

poate fi divizat în patru etape de bază: modelarea geometriei, definirea fizică a modelului,

rezolvarea modelului numeric şi postprocesarea datelor obţinute [He şi alţii, 1999; Dyakowski şi

alţii, 1993; Nowakowski şi alţii, 2000].

Fig. 4.42 Etapele modelarii CFD

Modelele riguroase fenomenologic în dinamica fluidelor au la bază trei componente

principale: bilanţul de masă descris de ecuaţia de continuitate, conservarea impulsului descris de

ecuaţiile Navier-Stokes şi efectul turbulenţei.

Rezolvarea ecuaţiei de continuitate şi a ecuaţiilor Navier-Stokes pentru curgerea

neturbulentă poate fi efectuată astăzi pentru modele geometrice simple sau complexe cu ajutorul

tehnologiilor de calcul. Pentru numere Reynolds mari tehnica de calcul obişnuită întâmpină

dificultăţi în obţinerea soluţiilor pentru vitezele instantanee sau pentru câmpurile de presiune,

chiar şi în cazul unor geometrii simple [Hubred şi alţii, 2000].

În prima etapă a studiului de simulare a procesului de malaxare a aluatului, a fost proiectat

un model geometric tridimensional parametrizat al malaxorului cu braţ spiral şi cuvă fixă –

model SILVER 50. În acest scop, a fost aplicat un software tip CAD (numit Solid Works),

utilizat în proiectarea obiectelor, chiar foarte complexe geometric (fig. 4.43, fig. 4.44).

Geometria transferată de la Solid Works la pachetul preprocesor CFD este mult mai flexibilă şi

precisă, decât în cazul în care ar fi realizată cu preprocesorul însuşi.

Specificaţiile tehnice ale malaxorului cu braţ elicoidal şi cuvă fixă – model SILVER 50 sunt

prezentate în Tabelul 4.3

Tabelul 4.3

Specificaţii geometrice ale malaxorului Model Silver 50

Diametrul cuvei [mm] 530

Înălţimea cuvei [mm] 330

Capacitate cuvă [L] 55

Dimensiuni braţ spiral [mm] 50x13x350

Diametru braţ spiral [mm] 32.5

Putere [kW] 380/50/3-2V

Număr rotaţii pe minut 90; 180

Fig. 4.43 Modelul geometric real al malaxorului cu braţ elicoidal şi cuvă fixă –SILVER 50 36

a. Sectiune 3D a modelului

geometric

b. Modelul discretizat

c. Sectiune 3D a modelului

discretizat

Fig. 4.44 Aspecte ale modelului geometric

Modelarea numerică şi condiţiile modelării. Dezvoltarea aluatului este un proces dinamic în

care proprietăţile vâscoelastice ale acestuia se schimbă continuu. Complexitatea schimbărilor

cauzate de mişcarea particulelor de aluat în timpul procesului de malaxare trebuie să fie luate în

considerare pentru fiecare tip de malaxor, deoarece a fost dovedit în numeroase studii anterioare

că în afară de viteza de malaxare, tipul de forţe aplicate şi fluxul de energie sunt factori care

influenţează major consistenţa aluatului final [Moritaka H., Sato E., 2005].

Simularea 3D a sistemului de malaxare a aluatului de panificaţie are ca obiectiv principal

studiul comportării aluatului de pâine în timpul procesului de malaxare. Prima fază a acestei

modelări o reprezintă generarea modelului geometric urmată apoi de generarea modelului

discretizat. Între aceste două faze se aplică ipotezele simplificatore cu ajutorul cărora modelul va

putea fi rulat.

Pentru realizarea simulării este necesară parcurgerea următoarelor etape prezentate în figura

4.45.

Fig. 4.45 Etapele realizării simulării

În acest studiu tridimensional, au fost considerate condiţiile de curgere pentru starea de

echilibru. Pentru a simula comportarea aluatului, pe parcursul malaxării au fost utilizate

următoarele ipoteze: curgerea corespunde stării de echilibru, este laminară şi izotermă, cuva este

plină cu aluat, aluatul este considerat incompresibil şi perfect vâscos non-newtonian, cu inerţie

neglijabilă. Efectul gravitaţiei este luat în considerare pentru cantităţi mari de aluat, în cazul

stratului limită, efectul gravitaţiei fiind neglijabil. Pe baza ipotezelor de mai sus, continuitatea,

ecuaţiile de moment şi vâscozitate sunt reduse la:

− ∇V = 0 , V - mare (4.122)

− ∇p + ∇τ = 0 (4.123) 37

( )

∞

∞

+

−

−

= µ

γλ

µ µ

µ

m

1 &

0

(4.124)

unde: V este vectorul vitezei, p – presiunea, τ – tensorul tensiunilor, µ – vâscozitatea variabilă, µo

– vâscozitatea de referinţă la rate de forfecare mici, µ∞ – o valoare asimptotică a vâscozităţii la

rate de forfecare mari, 5.0 2

γ& = I , m este un indice de material, iar λ – o constantă de material,

cu invariantul secundar I2 al ratei tensorului deformaţiilor, determinat din relaţia [Chopin

Alveograph Guide]:

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

+

∂

∂

⋅∂

∂

+

∂

∂

⋅∂

∂

=

2 2 2

2

4

1

x

v

y

u

z

u

x

w

z

v

y

w

y

v

x

u

z

w

y

v

I (4.125)

unde: u, v şi w sunt vitezele pe direcţiile x, y şi z în sistem de coordonate carteziene.

Pentru simulare, s-a considerat aluatul format din apă, făină şi sare. Proprietăţile modelului

de aluat amestecat la 20

o

C, cu vâscozitatea dependentă de rata de forfecare descrisă de ecuaţia

(4.124).

Rezultatele numerice au fost obţinute pentru valoare densităţii aluatului ρ = 1200 kg/m

3

,

vâscozitatea dinamică a aluatului 30 Pa·s, viteza de rotaţie a braţului spiral de 180 rpm şi viteza

de rotaţie a cuvei malaxorului de 30 rpm.

Distribuţia aluatului, în secţiune transversală a malaxorului, pentru diferite regiuni cu

aceeaşi viteză poate fi vizualizată în figurile 4.46…4.52.

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

Fig. 4.48 Regiune cu viteza 0.75 m/s Fig. 4.49 Regiune cu viteza 1 m/s38

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

Fig. 4.52 Regiune cu viteza 1.75 m/s

Figurile 4.46…4.52 prezintă modul în care masa de aluat se deplasează în momentul

aplicării unei anumite viteze. Analizând aceste figuri se poate observa că distribuţiile vitezei de

curgere în cuva malaxorului sunt asimetrice şi aluatul curge prin regiunile libere atunci când

braţul de amestecare se deplasează o rotaţie. Rezultatele obţinute în urma simulării oferă

posibilitatea estimării forţei motrice a braţului elicoidal, permiţând astfel evaluarea consumului

de energie. Putem astfel estima o creştere a energiei cinetice a aluatului şi o disipare a energiei.

Trebuie remarcat faptul că energia cinetică depinde de viteza de ordinul doi.

Fig. 4.53 Stratul limită cu consum de energie primară

În figura 4.53 suprafaţa aluatului este la distanţă egală de 3 cm faţă de peretele cuvei,

distanţă aproximativ egală cu grosimea stratului limită. 39

Fig. 4.54 Distribuţia de energie la malaxare Fig. 4.55 Distribuţia de energie la niveluri

diferite

Disiparea de energie în aluat în timpul procesului de malaxare (figurile 4.54 şi 4.55) este

proporţională cu cu gradientul vitezei de deformare. Zonele cu o distribuţie mai mare de energie

sunt situate în jurul braţului elicoidal, peretele cuvei, dar şi în zona braţului contrast.

Figurile 4.56 şi 4.57 ilustrează distribuţia de presiune în aluat, în diferite regiuni, pentru o

turaţie de 180rot/min. Aceste figuri arată că domeniul de curgere variază în mod semnificativ pe

înălţimea cuvei. De asemenea, se poate observa că gradientul de presiune al aluatului în zona

inferioară a minimei distanţe dintre peretele cuvei şi dispozitivul de malaxare este mai mare ca

urmare a acţiunii forţelor de gravitaţie.

Datorită faptului că secţiunea de trecere a aluatului între dispozitivul de malaxare şi perete

este mică, iar presiunea este ridicată, rezultă că energia este proporţională cu forţa de deformaţie

a aluatului.

Fig. 4.56 Distribuţia de presiune în cuva

malaxorului

Fig. 4.57 Distribuţia de presiune la diferite

niveluri

Fig. 4.58 Distribuţia de presiune pe braţul

elicoidal

Fig. 4.59 Distribuţia de presiune în zona

inferioară

Conform rezultatului simulării (figura 4.58) presiune pe braţul elicoidal este mai ridicată în

regiunea inferioară a dispozitivului de malaxare.

Din figura 4.59 se observă că distribuţia de presiune în zona inferioară este mare. Figurile

4.60…4.62 prezintă variaţia vitezei în procesul de malaxare a aluatului, la o turaţie a braţului

spiral de 180 rpm pentru aluatul cu densitatea ρ = 1200 kg/m

3

. 40

Fig. 4.60 Variaţia vitezei în zona inferioară

Fig. 4.61 Variaţia vitezei în zona centrală (imagine stânga- pe direcţia verticală, imagine

dreapta – direcţie orizontală)

Fig. 4.62 Variaţia vitezei în zona centrală (imagine stânga –în apropierea peretelui cuvei,

imagine dreapta – spre centrul cuvei)

Fig. 4.63 Vizualizarea vectorului viteză Fig. 4.64 Vizualizarea vectorului viteză la

diferite niveluri

În figura 4.63, datorită rotirii aluatului în acelaşi sens cu braţul elicoidal, se observă

existenta unor zone cu viteză sporită.

Analizând rezultatele obţinute în figura 4.64 se obswervă faptul că în zona inferioară a cuvei

viteza atinge un maxim de 1,06 m/s, în timp ce în zona centrală această valoare este de

aproximativ 1,36 m/s. 41

În vederea încercării de a reduce consumul de energie s-a continuat simularea prin reducerea

diametrului exterior al braţului elicoidal cu 12 mm, ceea ce reprezintă o reducere a dimensiunii

acestuia de 7%, iar consumul de energie este redus astfel în proporţie de 19,8%.

Formula utilizată pentru calcularea disipării de energie este: [Литовченко, И.Н., 1985]

+

−

Α = ⋅ µ ⋅⋅ sinα

2

124

3

2

4

1

4

2

3 br

l f

r r

n , (4.126)

în care, a – numărul de dispozitive de malaxare; µ – vâscozitatea dinamică, n – viteza de rotaţie,

r2 – raza mare a braţului spiral, r1 – raza mică a braţului spiral, l – grosimea stratului limită, f –

distanţa până la partea de jos, b – diametrul dispozitivului elicoidal şi α – unghiul braţului de

malaxare (pentru un cilindru sin α = 1)

În cele ce urmează sunt comparate rezultatele obţinute pentru două diametre exterioare

diferite ale braţului elicoidal (d1 = 172 mm şi d2 = 160 mm).

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.65 Distribuţia de energie la malaxare

Din figurile 4.65a,b şi 4.66a,b se observă că rezultatele obţinute, pentru ambele diametre,

sunt similare (diferă foarte puţin).

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.66 Distribuţia de energie (secţiune transversală)

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.67 Reprezentarea vectorului viteză42

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.68 Distribuţia vectorului viteză pe braţul elicoidal

Analizând rezultatele obţinute în figura 4.67 se constată, că pentru cele două diametre

vectorii viteză diferă foarte puţin

Distribuţia vectorul viteză pe suprafaţa braţului elicoidal (figura4.68) prezintă direcţia în

care aluatul este îndepărtat de pe acesta. Odată cu creşterea distanţei dintre particulele de aluat şi

braţul de malaxare, viteza acestora scade şi implicit are loc o scădere a energiei consumate

pentru deformarea aluatului.

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.69 Variaţia de energie pe braţul spiral

În figura 4.69a, b se pot vizualiza suprafeţele dispozitivului de malaxare în care gradientul

de viteză prezintă valori ridicate.

a. d=172 mm b. d=160 mm

Fig. 4.70 Variaţia de energie – reprezentare grafică

Reprezentările grafice obţinute în figura 4.70 arată energia consumată înregistrează valori

mai mari între braţul elicoidal şi peretele cuvei. În această zonă se înregistrează o valoare

maximă a gradientului vitezei de deformare a aluatului.

Analiza studiului malaxării aluatului prin metode de simulare numerică evidenţiază faptul că

prin aceste tehnici este posibilă estimarea rezultatelor prin utilizarea unor parametrii reologici,

cinematici şi dinamici diferiţi.

Având în vedere numărul mic de ipoteze simplificatoare, rezultatele obţinute sunt similare

celor obţinute prin mijloace de măsurare experimentale. 43

5. CERCETAREA EXPERIMENTALĂ A DINAMICII ALUATULUI ŞI A

CONSUMURILOR ENERGETICE ÎN PROCESUL DE MALAXARE A

ALUATULUI DE PÂINE

5.1. Obiectivele cercetării experimentale

În cercetarea ştiinţifică inginerească, o deosebită importanţă o au aplicaţiile experimentale,

care constituie pe de o parte, un criteriu de bază pentru verificarea veridicităţii ipotezelor şi

teoriilor ştiinţifice elaborate, iar pe de altă parte o sursă bogată de corectare şi completare a

acestora. În general cercetările experimentale au ca obiectiv central verificarea ipotezelor

teoretice care stau la baza fenomenului studiat.

Pentru obţinerea unor date pertinente, la efectuarea cercetărilor experimentale este necesară

parcurgerea următoarele etape:

alcătuirea programului de desfăşurare a cercetărilor experimentale;

măsurarea mărimilor fizice specifice fenomenului, în regim static sau dinamic,

folosind o aparatură sau mijloace de măsurare adecvate scopului;

prelucrarea datelor obţinute;

compararea datelor obţinute pe cale experimentală cu cele obţinute prin modelarea

teoretică şi stabilirea concluziilor pe baza cărora se poate trece la valorificarea rezultatelor.

Valoarea rezultatelor cercetării experimentale depinde de conceperea unei metodici de

cercetare corecte, de alegerea celor mai potrivite mijloace de investigare şi tehnici de măsurare,

de buna organizare a etapelor cercetării şi de culegerea datelor, precum şi de modul de prelucrare

şi interpretare a acestora.

Obiectivul principal al cercetărilor experimentale din cadrul acestei lucrări de doctorat îl

reprezintă optimizarea energetică a procesului de malaxare a aluatului de pâine.

În vederea atingerii obiectivului principal al acestor cercetări a fost necesară parcurgerea

secvenţială şi rezolvarea mai multor obiective complementare, precum:

întocmirea unei metodici complete şi raţionale pentru cercetarea experimentală, cu

luarea în considerare a caracteristicilor echipamentelor tehnice necesare;

determinarea indicilor calitativi ai materiilor prime supuse cercetărilor experimentale;

determinarea parametrilor reologici ai aluaturilor din cele două sortimente de făină de

grâu;

determinarea parametrilor reologici ai aluaturilor din cele două sortimente de făină de

grâu cu adaos de acid ascorbic;

determinarea parametrilor reologici ai aluaturilor fără şi cu adaos de acid ascorbic,

prin teste dinamice oscilatorii;

determinarea consumului de energie în procesul de malaxare, pentru aluaturi cu

consistente şi compoziţii diferite.

5.2. Obiectul cercetărilor experimentale

Obiectul principal al acestor studii experimentale îl constituie aluatul de pâine şi

comportamentul său, precum şi consumul de energie în procesul de malaxare a acestuia. Pentru

efectuarea cercetărilor experimentale s-au utilizat două tipuri de făină de grâu, având

caracteristicile prezentate în tabelul 5.1.

Materialele auxiliare folosite în determinările experimentale, pentru obţinerea aluaturilor de

pâine au fost: drojdia comprimată pentru panificaţie Pakmaya, sare alimentară având

caracteristicile din SR 13360:1996 şi apă.

În vederea determinării consumului de energie în timpul procesului de malaxare s-a utilizat

un malaxor cu braţ elicoidal şi cuvă fixă – model SILVER 50 produs de Sigma Italia (figura 5.1),

malaxor existent în cadrul Facultăţii de Alimentaţie şi Turism. 44

Tabelul 5.1.

Caracteristicile fizice ale sortimentelor de făină de grâu utilizate în cadrul cercetărilor

experimentale

Caracteristica FA-500 FA-650

Umiditate, % 11,9 13,9

Cenuşă, % 0,44 0,51

Conţinut proteine, % 11,24 11,20

Gluten umed, % 26,1 27,4

Deformare gluten, [mm] 3,5 5,2

Aciditate, % 2,5 2,4

Fig. 5.1 Malaxor cu braţ spiral şi cuvă fixă – model SILVER 50

Alte malaxoare utilizate, în cadrul determinărilor de consum energetic, sunt malaxorul cu

braţ elicoidal şi cuvă extractibilă Gostol SMH 125N (figura 5.3) şi malaxorul cu braţ elicoidal şi

cuvă extractibilă 250ES produs de Logiudice Forny Italia (figura 5.4).

Ambele tipuri de malaxoare sunt utilizate în cadrul secţiei de preparare a aluatului de

panificaţie din cadrul S.C. Vel Pitar S.R.L. Braşov, iar caracteristicile acestora sunt prezentate în

tabelul 5.3.

Fig. 5.3 Malaxorul Gostol SMH 125N Fig. 5.4 Malaxorul Logiudice Forni 250ES

5.3. Metodica cercetării experimentale

În vederea atingerii obiectivului principal şi obiectivelor complementare ale cercetării

experimentale (subcapitolul 5.1) s-a conceput şi s-a urmărit un program al cercetării

experimentale prezentat în figura 5.5 45

În cadrul programului cercetărilor experimentale sunt precizate: locul de desfăşurare a

cercetării experimentale, materialele utilizate, condiţiile în care se desfăşoară cercetările

experimentale, aparatura utilizată şi parametrii urmăriţi.

Fig. 5.5 Programul cercetării experimentale

5.4. Aparatura utilizată la cercetarea experimentală

Determinările experimentale privind calitatea materiei prime (făina) au fost efectuate în

cadrul Universităţii de Tehnologii Alimentare, în laboratoarele de Echipamente pentru

procesarea cerealelor, Pâine şi produse de patiserie, dar şi în cadrul Institutului Naţional de

Cercetare-dezvoltare pentru Bioresurse Alimentare – IBA Bucureşti.

În ceea ce priveşte măsurătorile privind consumul energetic în procesul de malaxare, acestea

au fost efectuate în cadrul laboratorului de Tehnologia Panificaţiei din cadrul Facultăţii de

Alimentaţie şi Turism a Universităţii Transilvania din Braşov, dar şi în cadrul fabricii de pâine

S.C. Vel Pitar S.R.L. sucursala Braşov.

Aparatura utilizată în cercetarea experimentală a constat din: farinograful Brabender,

mixographul, reometrul Bohlin C-VOR, camera de termoviziune Flir B60, cântarul electronic de

uz comercial, termometru digital, analizorul trifazic de energie Chauvain Arnoux.

5.4.1. Aparatura utilizată pentru studiul comportării la malaxare a aluatului

5.4.1.1. Farinograful

Farinograful Brabender (figura 5.6) dă informaţii asupra modificării proprietăţilor reologice

ale aluatului în timpul frământării şi permite evaluarea factorilor critici care influenţează aceste

proprietăţi, cum sunt calitatea făinii (puterea făinii şi cantitatea de apă). Cu ajutorul

Desfăşurarea cercetării experimentale

Laborator Exploatare

Făină albă

tip 500

Făină albă

tip 650

Oxidant: Acid

Ascorbic

Aparate folosite

Farinograf

Brabender

Mixograf Reometru

Bohlin VOR

Proces

malaxare

Malaxor

Silver

SL50

Malaxor

Logiudici

Forni 125 ES

Malaxor

Gostol

SMH 125

În gol În sarcină

Condiţii funcţionare

Aparate folosite

Analizor Chauvain

Arnoux

Camera de

termoviziune Flir B60

Indicatori urmăriţi:

•Caracteristici reologice făină cu/fără adaos oxidant;

•Comportare aluat cu/fără adaos oxidant, prin teste dinamice;

•Consum energie malaxare – consum energetic mers în gol

- consum energetic în sarcină;

•Indici calitativi ai aluaturilor obţinute 46

farinografului se obţin informaţiile referitoare la modificarea proprietăţilor reologice ale

aluatului în timpul malaxării şi pot fi evaluaţi factorii care influenţează aceste proprietăţi.

Fig. 5.6 Farinograful Brabender Fig. 5.7 Cuva şi braţele de frământare ale

farinografului

5.4.1.2. Mixograful

Un alt dispozitiv care măsoară caracteristicile la malaxare ale aluatului este mixograful

(figura 5.8). Acesta a fost construit după un principiu diferit de cel al farinografului, efectul de

frământare fiind realizat de patru bare verticale, ataşate unui cap rotativ de frământare, care se

rotesc în aluat într-o mişcare planetară în jurul a trei braţe drepte fixe. Capacitatea acestui

dispozitiv este de 35 g de făină.

Fig. 5.8 Mixograful

5.4.2. Aparatura utilizată pentru măsurători de dinamica aluatului

Reometrul Bohlin VOR (figura 5.9) este un instrument de mare precizie destinat

măsuratorilor reologice şi permite investigarea comportării la curgere a unei game variate de

materiale în stare fluidă pentru un domeniu de temperaturi cuprins între 20…180°C.

Fig. 5.9 Rheometrul Bohlin VOR

Fig. 5.10 Dispozitivele plan-plan ale

rheometrului 47

5.4.3. Aparatura utilizată pentru măsurarea temperaturii aparente a aluatului

Camera de termoviziune, sau camera în

infraroşu (fig. 5.11), este un instrument de

diagnosticare ce foloseşte radiaţia infraroşie

pentru a reda imagini cu o distribuţie de culori ce

corespund temperaturilor aparente ale suprafeţei

corpurilor scanate. Radiaţia infraroşie aparţine

spectrului electromagnetic într-un interval al

lungimilor de undă ce nu corespunde cu cel

vizibil ochiului uman şi este emisă de orice obiect

cu o temperatură mai mare decât zero absolut (-

273°C).

Cu ajutorul unei camere în infraroşu se pot

vizualiza cantităţile de căldură pe care corpurile

le emit.

5.4.4. Aparatura utilizată pentru măsurarea consumului energetic

Analizorul trifazic de energie, produs de Chauvin Arnoux – France (fig. 5.12), este un

dispozitiv electronic inteligent destinat conectării directe sau prin intermediul transformatoarelor

pentru măsurarea de tensiune din staţiile de transformare şi punctele de alimentare. Acesta

permite obţinerea unor informaţii privind calitatea tensiunii în nodurile reţelei electrice

Echipamentul monitorizează următorii parametri electrici:

• tensiuni, curenţi, puteri;

• factori de putere, armonice, energii;

• evenimente (memorate separat), împreună cu momentul când au apărut şi durata lor

Fig. 5.12 Analizorul trifazic de energie (www.arc.ro)

5.5. Desfăşurarea cercetărilor experimentale

Pentru efectuarea cercetării s-au folosit două tipuri de făină albă de grâu ale căror

caracteristici fizice sunt prezentate în tabelul 5.1.

Pentru caracterizarea calităţii celor două tipuri de făină au fost utilizate următoarele metode

de analiză:

- determinarea umidităţii, conform SR ISO 712:2005, prin uscare la etuvă la 130°C, timp

de 60 de minute;

- determinarea conţinutului de cenuşă, conform SR 90:2007, prin calcinare la 550-600°C

timp de 6 ore;

- determinarea conţinutului de gluten umed, conform SR ISO 21415-2:2007 prin spălarea

aluatului obţinut din făină de analizat cu o soluţie de 2 % sare şi zvântarea glutenului

obţinut;

Fig.5.11 Camera termoviziune Flir B60 48

- determinarea deformării glutenului umed, conform SR 90:2007 prin măsurarea a două

diametre (în mm), înainte şi după termostatare şi calcularea diferenţei dintre valorile

medii obţinute din măsurători;

- determinarea acidităţii făinii, conform SR 90:2007, reprezentând numărul de mL de

soluţie de hidroxid de sodiu 1n consumaţi pentru neutralizarea acidităţii făinii, adusă sub

formă de suspensie în apă, raportată la 100g probă de analizat;

La prepararea aluatului s-a măsurat temperatura făinii şi în funcţie de aceasta s-a încălzit apa

care a fost înglobată în aluat. Temperatura aluatului după malaxare a fost cuprinsă între

29…30°C.

Pentru măsurarea temperaturii aparente a aluatului a fost utilizată camera de termoviziune

Flir B60, consumul de energie al fiecărui echipament de malaxare studiat a fost măsurat cu

ajutorul analizorului de energie Chauvin Arnoux CA 8332B-INT AMPLFEX, iar pentru analiza

mecanică dinamică a aluatului a fost utilizat Rheometrul Bohlin VOR.

5.5.1. Măsurarea consumului de energie la malaxarea aluatului de pâine

Cercetările experimentale pentru determinarea consumului de energie, în procesul de

malaxare a aluatului de pâine, s-au efectuat atât în cadrul S.C. Vel Pitar S.R.L. Braşov cât şi în

cadrul laboratorului specializat de Tehnologia Panificaţiei de la Facultatea de Alimentaţie şi

Turism din cadrul Universităţii Transilvania Braşov. În figurile 5.20…5.22 se prezintă secvenţe

din timpul cercetărilor experimentale şi anume montarea senzorilor de curent la panoul central.

a. malaxor în timpul

funcţionării

b. conectarea traductorilor la panoul de

comandă

c. înregistrarea valorilor puterii

şi energiei

Fig. 5.20 Montarea senzorilor de curent malaxor Logiudice Forni 250ES

Fig. 5.21 Malaxor Gostol SMH

125N

Fig. 5.22 Montarea senzorilor pe malaxorul Silver SL5049

5.6. Prelucrarea, analiza şi interpretarea rezultatelor cercetării

experimentale

5.6.1. Prelucrarea, analiza şi interpretarea rezultatelor privind consumul de energie la

malaxare

5.6.1.1. Prelucrarea analiza şi interpretarea rezultatelor cercetărilor experimentale

efectuate în cadrul S.C. Vel Pitar S.R.L

În ultimii ani s-au făcut eforturi însemnate în vederea clarificării importanţei energiei

absorbite la malaxare pentru proprietăţile aluatului şi calitatea pâinii. Consumul de energie la

malaxare depinde de calitatea făinii, în special de calitatea şi cantitatea glutenului, de conţinutul

de apă, de starea materiilor prime înainte de malaxare, de felul şi turaţia braţului de malaxare.

Astfel, măsurarea energiei consumate şi a puterii necesare, în procesul de malaxare, s-a

efectuat pe o durată de 10 minute, în primele 5 minute fiind realizată o malaxare la turaţie mică a

braţului de malaxare, urmată de încă 5 minute de malaxare rapidă.

Pentru realizarea măsurătorilor s-au montat în prima fază senzorii de curent la panou,

ulterior fiind măsurată puterea activă şi energia consumată pe cele 3 faze, atât la mersul în gol al

malaxorului, cât şi pentru mersul în sarcină al acestuia.

Principiile de măsurare a puterii active în circuitele trifazate sunt conţinute în teorema lui

Blondel: “Puterea activă totală, într-un circuit polifazat cu n conductoare, se poate măsura cu

ajutorul a n wattmetre montate astfel încât bobinele de curent să fie parcurse de curenţii de linie

iar bobinele de tensiune să fie conectate între conductoarele respective şi un punct comun N, de

referinţă, de potenţial oarecare”.

În reţelele trifazate puterea activă este definită astfel:

1 2 3

P = Pf + Pf + Pf

(5.1)

unde Pfk (k=1,2,3) sunt puterile active pe fiecare fază.

Există numeroase metode de măsurare a puterii, metode care depind de frecvenţa aplicată (în

cazul nostru 50Hz), de felul tensiunilor, de felul circuitului, de puterea receptorului, de precizia

dorită în măsurare.

Respectând acest principiu de măsurare a puteri unui circuit trifazat s-a realizat conexiunea

ce poate fi observată în figura 5.23 a analizorului de energie Chauvin Arnoux.

Fig. 5.23 Conexiunea trifazată a analizorului de energie Chauvin Arnoux

S-au realizat măsurători ale puterii consumate şi a energiei pe parcursul malaxării aluatului,

aluaturi cu diferite consistenţe şi compoziţii. Datele ce au fost înregistrate în memoria internă a

analizorului Chauvin Arnoux au fost exportate în calculator odată cu încheierea cercetărilor

experimentale. Prelucrarea datelor s-a realizat cu ajutorul programului DataView, program

special creat pentru analiza rezultatelor returnate de analizorul de energie Chauvin Arnoux,

valorile înregistrate fiind prezentate grafic în cele ce urmează.

Prima mărime analizată a fost cea a puterii active la mersul în gol în cazul malaxorului

Logiudice Forni 250ES şi a malaxorului Gostol SMH 125N iar graficul rezultat poate fi observat

în figura 5.24 50

Fig.5.24 Înregistrarea evoluţiei puterii active la funcţionarea în gol a malaxoarelor

Puterea medie transferată unei porţiuni de circuit se numeşte putere activă. Din

reprezentarea grafică (fig. 5.24) se observă că puterea medie măsurată la funcţionarea în gol, în

decursul a 10 minute (5 minute de malaxare lentă, urmate de alte 5 minute de malaxare rapidă),

în cazul malaxorului Logiudice Forni 250 ES, are o valoare relativ constată, prezentând o mică

variaţie pentru momentul în care se trece de la malaxarea lentă la cea rapidă.

Pentru malaxorul Gostol SMH 125N, se observă două zone de palier, pentru malaxarea lentă

şi mers în gol înregistrându-se o valoare de aproximativ 6kW, iar pentru malaxarea rapidă

valoare este de aproximativ 8,5 kW.

Fig.5.25 Evoluţia puterii active măsurată la funcţionarea în sarcină cu malaxorul LF 250ES

În figura 5.25 sunt prezentate valorile puterii înregistrate pentru două semifabricate diferite

(prospătura, maia) utilizând malaxorul Logiudice Forni LF 250ES. Rezultatele obţinute prezintă

valori similare, neexistând diferenţe majore. 51

Fig. 5.26 Evoluţia consumului de energie al malaxorului LF 250 ES la preparare maia

În figura 5.26 se prezintă evoluţia consumului de energie al malaxorului LF 250ES la

prepararea maielei, care ulterior va fi utilizată pentru prepararea aluatului. Se observă că odată cu

începerea malaxării propriu-zise se înregistrează o creştere a consumului de energie până la

aproximativ 10,5 kWh.

Fig.5.27 Puterea activă măsurată la mersul în sarcină cu malaxorul Gostol SMH 125N

Analizând figura 5.27 se poate concluziona faptul că la malaxarea aluatului puterea activă

înregistrează valori mai ridicate decât în cazul maielei, acest lucru datorându-se consistenţei

diferite a celor două semifabricate, existând două zone de palier: prima zonă de palier se

înregistrează la malaxarea lentă, valorile obţinute fiind apropiate ca valoare, şi o a doua zonă de

palier înregistrată pentru malaxarea rapidă. 52

Fig. 5.28 Consumul de energie al malaxorului Gostol SMH 125N

În cazul malaxorului Gostol SMH 125N se înregistrează un consum de energie (figura 5.28)

cu o valoare medie de aproximativ14 KWh pentru obţinerea aluatului şi aproximativ 12.5 KWh

pentru obţinerea maielei.

Calitatea aluatului, obţinut după malaxare, este foarte importantă, pentru care este necesară

un nivel optim de energie transmis aluatului, dar şi o anumită viteză cu care acesta se aplică

aluatului. AStfel, unui nivel optim de energie trebuie să îi corespundă o viteză optimă de consum

a acesteia, respectiv un anumit timp de malaxare.

5.6.1.2. Prelucrarea analiza şi interpretarea rezultatelor cercetărilor experimentale

efectuate în laborator

Măsurarea energiei consumate şi a puterii necesare s-a efectuat în laborator pentru

malaxorul cu braţ elicoidal şi cuvă fixă din seria SL 50 pe o durată de 10 minute (5 minute

malaxare lenta urmată de 5 minute malaxare rapidă) conform metodicii experimentale. Pentru

realizarea măsurătorilor s-au montat senzorii de curent şi s-a măsurat energia consumată şi

puterea necesară pe cele trei faze in timp.

Fig. 5.31 Variaţia consumului de energie în funcţie de umiditatea aluatului 53

Consumului de energie în funcţie de umiditatea aluatului (fig. 5.31) este mai mic în cazul

aluatului cu umiditate mare (64%), înregistrându-se un consum de energie mai ridicat pentru

aluaturile cu consistenţă mare (61% şi 58% apă).

Fig.5.32 Variaţia puterii active în funcţie de conţinutul de sare adăugat la malaxare

În figurile 5.32 şi 5.33 sunt reprezentate valorile puterii active, respectiv energia consumată

la malaxarea aluaturilor cu concentraţii de sare de 1, 1.5, 2 şi 2.5% sare. Din analiza graficelor

rezultate se poate observa faptul că cu cât conţinutul de sare este mai mare, cu atât creşte şi

consumul de putere şi energie

Fig. 5.33 Energia consumată la malaxarea aluatului în funcţie de cantitatea de sare adăugată

În cadrul procesului a fost studiat şi consumul de energie şi putere pentru aluaturile în care

s-a adăugat ca substanţă cu caracter oxidant acidul ascorbic. 54

Fig. 5.34 Energia consumată la malaxarea aluatului în funcţie de conţinutul de acid ascorbic

adăugat

Astfel, analizând figura 5.34 se observă că energia consumată la malaxare creşte cu

cantitatea de acid ascorbic adăugată.

În urma analizei tuturor rezultatelor obţinute privind consumul de putere şi energie la

malaxare putem concluziona următoarele:

- pentru aluaturile cu umiditate mai mare este necesar un consum de energie mai mic decât

în cazul aluaturilor cu consistenţă mare;

- viteza cu care se consumă energia, în procesul de malaxare a aluatului de pâine, este

influenţată de consistenţa aluatului;

- aluaturile consistente au o viscozitate mare şi opun rezistenţă sporită la malaxare, motiv

pentru care într-un timp mai scurt se absoarbe o cantitate mai mare de energie decât în cazul

aluatului de consistenţă mică unde este necesar un timp mai lung pentru a se consuma aceeaşi

cantitate de energie;

- sarea şi substanţele oxidante măresc consumul de energie la malaxare.

Energia de malaxare se consumă numai parţial pentru dezvoltarea aluatului. O parte din

această energie este utilizată la amestecarea componentelor aluatului în vederea obţinerii unui

amestec omogen, iar alta se pierde prin transformarea ei în căldură.

Energia utilizată pentru dezvoltarea aluatului este utilă pentru formarea în aluat a unei faze

continue de gluten, formarea particulelor de gluten fiind dependentă de elasticitatea aluatului.

Influenţa vitezei de consum a energiei de malaxare se reflectă şi asupra calităţii pâinii.

5.6.2. Prelucrarea, analiza şi interpretarea rezultatelor privind evoluţia temperaturii

aluatului prin metoda termografică

Termografia (determinarea temperaturii cu ajutorul camerei de termoviziune) este o metodă

de măsurare pasivă, fără contact. Astfel, s-au realizat o serie de imagini termice cu ajutorul

camerei de termoviziune de tip Flir ce pun în evidenţă temperatura radiată de pe suprafaţa

aluaturilor preparate. S-a recurs la această metodă de măsurare deoarece posibilităţile de a

înregistra temperatura reală a aluatului în timpul procesului de malaxare este limitată de

dinamica procesului, necesitând întreruperea acestuia pentru măsurarea temperaturii. 55

S1

S100

0

5

10

15

20

25

30

35

Temperatura °C

Suprafa

30-35

25-30

Fig. 5.35 Temperatura aparentă la

suprafaţa aluatului în primele minute de

malaxare

Fig. 5.36 Histograma temperaturilor la suprafaţa

aluatului

Deoarece instalaţia de malaxare nu este prevăzută cu sisteme de măsurare a temperaturii

aluatului, s-a realizat o imagine termică (figura 5.35) a zonei de malaxare a aluatului şi a cuvei în

care se realizează operaţia de malaxare. Temperatura aparentă maximă măsurată la începutul

procesului de malaxare a aluatului a fost de 31.1°C în zona cuvei, iar temperatura aluatului avea

o valoare medie de 26°C.

Din histograma prezentată în figura 5.36 se observă faptul că distribuţia temperaturii

aluatului în primele 2 minute de malaxare este uniformă, aceasta având o valoare medie de

26,5°C.

Fig.5.37 Temperatura aparentă a aluatului

după 9 minute de malaxare

Fig.5.38 Obţinerea aluatului cu

consistenţă şi temperatură optime

Temperatura optimă pentru aluat este de 28…30°C. În timpul procesului de malaxare,

temperatura aluatului creşte datorită pe de o parte căldurii degajate la hidratarea particulelor de

făină, iar pe de ală parte, trecerii unei cantităţi de energie mecanică în energie termică. Creşterea

temperaturii peste temperatura optimă duce la înrăutăţirea elasticităţii şi consistenţei aluatului, ca

urmare a creşterii activităţii fermentative. Din figura 5.37 se poate observa că după 9 minute de

malaxare aluatul atinge o valoare maximă a temperaturii de 30,9°C. Aluatul supus operaţiei de

malaxare prezintă acum o consistenţă optimă aşa cum reiese din figura 5.38.

Consistenţa este o proprietate de natură reologică complexă, care depinde de umiditatea,

temperatura, de compoziţia biochimică a făinii, a materialelor adăugate, de cantitatea de energie

consumată la malaxare. 56

Fig.5.39 Temperatura aparentă a aluatului după 10 minute de malaxare

În figura 5.39 este prezentată termograma cu temperatura aparentă a aluatului versus

temperatura măsurată cu un termometru digital, imediat după finalizarea procesului de malaxare,

temperatura medie a aluatului obţinut având valoarea de 32,5°C.

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Temperatura °C

Suprafaţa

30-35

25-30

Fig. 5.40 Histograma temperaturii aluatului imediat după încetarea malaxării

Din histograma trasată în figura 5.40.se observă, de asemenea, faptul că temperatura

aluatului final obţinut prezintă valori uniforme, cuprinse în intervalul 30…32,5°C.

Fig.5.41 Evoluţia temperaturii în timpul procesului de malaxare 57

Pentru o reprezentare mai sugestivă a evoluţiei temperaturii s-a realizat graficul din figura

5.41 din care se observă evoluţia temperaturii aluatului pe durata procesului de malaxare,

temperatură măsurată pe o perioadă de 10 minute cu ajutorul termometrului electronic.

5.6.4. Prelucrarea, analiza şi interpretarea rezultatelor obţinute prin teste dinamice

oscilatorii

Testele oscilatorii pot fi utilizate pentru studiul comportării vâscoelastice a aluatului şi

pentru a determina caracteristicile fundamentale ale aluaturilor.

Testele oscilatorii de joasă amplitudine constau în aplicarea unei deformări (tensiuni)

sinusoidale mici, de obicei de ordinul 0,1…3%, şi măsurarea deformării (tensiunii) rezultate.

Astfel, deformarea aplicată este foarte mică pentru a se asigura faptul că răspunsul materialului

va fi în domeniul liniar, domeniu în care tensiunea este proporţională cu deformarea aplicată.

La amplitudini mici, atunci când materialul este deformat sinusoidal la o frecvenţă dată ω

[rad/s] deformaţia poate fi exprimată sub forma ecuaţiei (5.2)

γ (t) γ sin(ωi) = 0

(5.2)

Răspunsul la tensiune al unui material vâscoelastic liniar la o deformare sinusoidală este dat

de relaţia:

σ (t) γ G'(ω)sin(ωt) γ G"(ω)cos(ωt) = 0 + 0

, (5.3)

în care σ reprezintă tensiunea determinată, γ0 – este deformaţia (funcţie sinusoidală dependentă

de timp); G' este modulul de acumulare, G" modulul de pierdere, iar G'= σ 0

γ

0

cosδ şi

G"= σ 0

γ

0

sinδ . [89]

Acest răspuns are o distribuţie sinusoidală, defazată faţă de deformaţie cu unghiul δ,

asemănătoare cu cea din figura 5.42.

Fig. 5.42 Răspunsul la tensiune al unui material vâscoelastic liniar dependent de timp [89; 101]

Modulul de acumulare G' reprezintă o măsură a energiei de deformare acumulată în aluat în

cursul procesului de forfecare, caracterizând comportarea elastică a probei de aluat analizate.

Modulul de pierdere G" reprezintă o măsură a energiei de deformare utilizată de aluat în

cursul procesului de forfecare, energia fiind complet pierdută la îndepărtarea solicitării, iar acest

modul caracterizând comportarea vâscoasă a aluatului.

Alte mărimi caracteristice care pot fi determinate în urma testelor reologice oscilatorii pot fi

reprezentate şi de către factorul de pierderi şi vâscozitatea complexă.

Factorul de pierderi, tgδ = G" G', caracterizează contribuţiile porţiunilor elastice şi

vâscoase în comportarea globală a probei analizate.

Testul de baleiaj de amplitudine

Testele reologice în regim oscilatoriu oferă posibilitatea măsurătorilor nedistructive.

Pentru determinările care implică o metodă oscilatorie de joasă amplitudine, se începe cu

determinarea deformării sau a limitei de tensiune pentru care teoria vâscoelasticităţii liniare este 58

aplicată. Astfel, un test de deformare sau de creştere progresivă a tensiunii este realizat la o

frecvenţă mică (1 Hz) prin creşterea deformării sau tensiunii. Odată ce limita de vâscoelasticitate

liniară este determinată se pot realiza restul determinărilor la deformări sau tensiuni în această

limită. Repetarea testului de creştere progresivă a frecvenţei la extremele variabilelor

experimentale este recomandată deoarece există date care indică faptul că regiunea de

vâscoelasticitate liniară poate varia cu frecvenţa testului, temperatura, compoziţia, etc. [69; 86;

87; 101]

În testul de baleiaj de amplitudine frecvenţa este menţinută constantă, iar amplitudinea

oscilaţiilor (și deformaţia) creşte progresiv. Valorile modulelor vor rămâne nemodificate până la

o valoare critică a deformaţiei, confirmând existenţa unui domeniu vâscoelastic liniar. [89]

În cadrul testelor efectuate a fost studiată comportarea în regim oscilatoriu a aluatului, prin

determinarea modulului de elasticitate (de acumulare), modulului de vâscozitate (de pierderi) şi

determinarea vâscozităţii dinamice complexe. Pentru măsurarea parametrilor mai sus amintiţi a

fost utilizat reometrul Bohlin VOR, utilizând o geometrie plan-plan, în care a fost introdusă

fiecare probă de aluat.

Testele au fost efectuate la valoarea temperaturii de 30°C, păstrând frecvenţa constantă de 1

Hz şi variind viteza de deformare. Probele de făină au fost pregătite prin amestecarea a 10 grame

de făină, cu umiditatea de 14%, la capacitatea de hidratare optimă determinată anterior cu

ajutorul farinografului. Două bile de aluat de aproximativ 2 g, din fiecare tip de aluat obţinut, au

fost puse pe câte o sticlă de ceas şi ţinute timp de 10 minute la temperatură constantă de 30°C şi

umiditate relativă de 80%. După perioada de odihnă, bucăţile de aluat au fost puse pe placa

reometrului, unde excesul de aluat a fost îndepărtat, probele fiind lăsate încă 20 de minute la

odihnă înainte de testare.

Pentru fiecare probă de aluat au fost efectuate minim 5 determinări, rezultatele obţinute fiind

prelucrate şi reprezentate utilizând programul Origin 6.0 Profesional.

Comportamentul neliniar pentru probele de aluat analizate la o frecvenţă unghiulară aplicată

de 1 Hz sunt prezentate în figurile 5.43…5.45.

Fig. 5.43 Variaţia modulelor de depozitare G' şi de pierderi G" în funcţie de deformaţie

În figura 5.43 se observă că valorile pentru modulul de depozitare (G') şi modulul de

pierderi (G") au fost relativ constante pentru valori ale deformaţiei mai mici decât 0,1%, urmând

apoi o descreştere a acestora pentru valori ale deformaţiei mai mari, indicând începutul

comportamentului neliniar. 59

În zona deformaţiei cu valoarea 0,5% apare o intersectare a valorilor modulelor de

depozitare şi de pierderi, ceea ce indică prezenţa unui caracter vâscos accentuat în cazul celor

patru probe analizate. În regiunea de vâscoelasticitate liniară valorile obţinute pentru făina albă

tip 650 (FA-650) şi făina albă tip 500 (FA-500) au valori mai mari comparativ cu valorile

obţinute pentru făina albă tip 500 cu adaos de 50 ppm acid ascorbic (FA-500+AA) şi făina albă

tip 650 cu adaos de 50 ppm acid ascorbic (FA-650+AA).

Fig. 5.44 Variaţia modulului complex G

*

în funcţie de deformaţie

Alura curbelor privind variaţia modulului complex (G

*

) în funcţie de deformaţia aplicată

(fig. 5.44) este similara celei privind variaţia modulului de depozitare.

Fig. 5.45 Reprezentarea unghiului de fază în funcţie de deformaţie

Reprezentarea unghiului de fază în funcţie de deformaţia aplicată (figura 5.45) prezintă

valori similare pentru cele patru probe analizate, comportamentul vâscos fiind observat la

deformaţii mari. 60

Testul de baleiaj de frecvenţă

În cazul testelor de frecvenţă efectuate s-a păstrat constantă tensiunea aplicată la 0,1% şi s-a

urmărit variaţia modulelor de forfecare pe un domeniu de frecvenţe cuprins în intervalul

0,1…100 Hz. Pe baza valorilor obţinute la testele experimentale, privind comportarea reologică a

aluaturilor din cele două tipuri de făină cu/fără adaos de acid ascorbic (50 ppm), la teste

dinamice oscilatorii de joasă amplitudine, au fost trasate graficele modulelor de forfecare G' şi

G", a modulului complex G

*

şi a vâscozităţii dinamice complexe η

*

, în funcţie de frecvenţa

unghiulară aplicată (figurile 5.46, 5.47 şi 5.48).

Fig. 5.46 Variaţia modulelor de depozitare G' şi de pierderi G" în funcţie de frecvenţa

aplicată

Rezultatele obţinute pentru cele patru probe de făină (fig. 5.46) arată faptul că odată cu

creşterea solicitării aplicate aluatului, valoarea modulului de acumulare scade şi treptat începe să

predomine componenta vâscoasă. Astfel, comportamentul celor patru tipuri de aluat la solicitări

mari este similar cu cel al unui lichid vâscos cu o mică componentă elastică.

Fig. 5.47 Reprezentarea modulului complex G

*

în funcţie de frecvenţa aplicată61

Valorile mari a tuturor modulelor pentru făina FA-650 şi FA-500 pe întregul interval de

frecvenţă se datorează forţelor mai mari care apar în aluat, care sunt corelate cu valorile mici ale

modulelor obţinute la aplicarea unor deformaţii mici.

Fig. 5.48 Variaţia vâscozităţii dinamice complexe η

*

în funcţie de frecvenţa aplicată

În urma trasării grafice a rezultatelor în funcţie de frecvenţa aplicată se observă pentru toate

probele de aluat, faptul că valorile modulelor de acumulare G' şi de pierderi G" sunt mai mari la

frecvenţe mari comparativ cu frecvenţele joase, existând o dependenţă şi o creştere a valorilor

obţinute cu frecvenţa aplicată. Aceste rezultate indica faptul ca refacerea reţelei aluatul după

aplicarea deformaţiei se produce lent, reţeaua nefiind complet elastică.

Analizând figura 5.48 se observă că vâscozitatea complexă η

*

descreşte cu creşterea

frecvenţei unghiulare aplicate.

Analiza fluajului şi descărcării după fluaj

Măsurătorile au fost efectuate pentru fiecare din cele patru tipuri de făină, în condiţii de

temperatură constantă de 30°C şi tensiune de forfecare de 50 Pa pentu o perioadă de fluaj şi

descărcare după fluaj de 1200 secunde.

Fig. 5.49 Fluajul şi descărcarea după fluaj al probelor de aluat62

Curbele fluajului şi ale descărcării după fluaj sunt prezentate în figura 5.49. Din analiza

rezultatelor grafice se observă un comportament vâscoelastic tipic pentru cele patru tipuri de

aluaturi. În timpul aplicării solicitării asupra aluaturilor (perioada de fluaj) complianţa creşte

rapid la început, ajungând ulterior la o stare de echilibru aproape liniară. După eliminarea

solicitării apare o scădere a complianţei, urmată de o perioadă de recuperare şi ulterior trecerea la

starea de echilibru.

5.6.5. Prelucrarea analiza şi interpretarea rezultatelor privind influenţa intensităţii

malaxării asupra calităţii pâinii

Modificarea duratei şi intensităţii malaxării este unul din mijloacele eficiente pentru

stabilirea însuşirilor reologice ale aluatului. În procesul de malaxare după umezirea particulelor,

acţiunea mecanică favorizează unirea lor într-o masă de aluat. Continuarea malaxării conduce la

obţinerea unui aluat care îşi îmbunătăţeşte treptat însuşirile reologice.

Atât malaxarea exagerată cât şi cea insuficientă conduc la obţinerea unui aluat de calitate

inferioară. Însuşirile aluatului obţinut la malaxare sunt influenţate într-o mare măsură de

intensitatea acţiunii mecanice.

Acţiunea mecanică de malaxare se poate mări prin prelungirea timpului de malaxare, dar şi

prin mărirea turaţiei dispozitivului de malaxare al malaxorului. Pentru fiecare turaţie a braţului

de malaxare există un timp optim pentru care se obţine pâinea de cea mai bună calitate.

Timpul de formare al aluatului scade odată cu creşterea turaţiei braţului de malaxare.

Astfel s-au realizat probe de coacere folosind două tipuri de malaxare: malaxare lentă la

turaţie de 90 rotaţii/minut a braţului de malaxare timp de 15 minute şi malaxare rapidă folosind

amestecarea componentelor la turaţia de 90 rotaţii/minut a braţului de frământare timp de 1

minut, urmată de malaxarea rapidă la turaţia de 180 rotaţii/minut timp de 9 minute. S-a folosit

metoda directă de preparare a aluatului.

Fig. 5.50 Influenţa intensităţii malaxării asupra volumului pâinii

În urma analizei rezultatelor, se poate constata că modificarea intensităţii braţului de

malaxare influenţează calitatea produsului finit. Comparând produsele obţinute folosind o

malaxare cu o turaţie de 180 rot/min a braţului de malaxare cu cele obţinute printr-o malaxare

lentă (turaţie a braţului de malaxare de 90 rot/min.), se observă o îmbunătăţire a caracteristicilor

pâinii cum ar fi volumul şi porozitatea, lucru explicabil dacă ţinem cont că la malaxarea energică

a aluatului are loc formarea mai completă a glutenului. Cea mai semnificativă creştere s-a putut

observa la produsele obţinute din făină cu adaos de acid ascorbic Prin mărirea turaţiei braţului de

malaxare se realizează o dispersie mai fină a aerului în aluat şi respectiv un contact mai intim cu

componentele aluatului, iar ca urmare, procesele de oxidare din aluat sunt mult mai intense. 63

6. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUŢII PERSONALE ŞI DIRECŢII

VIITOARE DE CERCETARE

6.1 Concluzii generale

La fabricarea pâinii şi a produselor de panificaţie se utilizează materii prime şi materii

auxiliare, însă făina de grâu reprezintă materia primă de bază, participând în proporţia cea mai

mare la fabricarea produselor. Calitatea făinii este esenţială pentru obţinerea unor produse de

bună calitate.

Calitatea finală a pâinii şi produselor de panificaţie depinde de calitatea materiilor prime şi

auxiliare, dar şi de parcurgerea tuturor etapelor procesului tehnologic cu respectarea strictă a

specificaţiilor precizate în fiecare situaţie.

Proprietăţile reologice ale aluatului joacă un rol important în calitatea produselor de

panificaţie. Calitatea finală a produselor de panificaţie depinde de calitatea materiilor prime şi

auxiliare dar şi de parcurgerea tuturor etapelor procesului tehnologic.

Cunoaşterea parametrilor reologici ai făinurilor de panificaţie, în general şi ai aluaturilor în

special este utilă specialiştilor şi lucrătorilor în domeniu atât pentru evaluarea parametrilor

tehnologici şi funcţionali ai utilajelor care prelucrează aluaturile din făină precum şi pentru

stabilirea parametrilor tehnologici ai procesului de panificaţie.

Proprietăţile reologice ale aluatului se datorează în cea mai mare parte însuşirilor glutenului,

care se formează la malaxare şi modului în care acesta interacţionează cu celelalte componente

ale făinii şi ingredientele produsului. Acestea sunt influenţate de o serie de factori precum:

calitatea făinii, umiditatea aluatului, temperatura, prelucrarea mecanică, durata de fermentare

(perioada de relaxare) sau tipul adaosurilor.

Proprietăţile aluatului sunt puternic influenţate de modul de malaxare a lui, dimensiunile

spaţiului de malaxare şi cantitatea de aluat malaxată.

6.2 Concluzii privind cercetările teoretice

Alegerea echipamentelor tehnologice pentru obţinerea produselor de panificaţie reprezintă o

problemă tehnico-economică complexă: Din acest considerent echipamentele tehnologice de

calitate şi performanţe superioare pot reprezenta un important factor pentru obţinerea unor

produse de panificaţie de înaltă calitate.

Caracterizarea reologică a aluatului este dificilă datorită comportamentului său vâscoelastic

neliniar, iar în acest scop pot fi utilizate modele de complexitate mai redusă (modele reologice).

În urma analizei rezultatelor simulării procesului de malaxare a aluatului de panificaţie s-a

constatat faptul că se poate estima puterea consumată.

Rezultatele arată că este posibilă predicţia cu exactitate relativă a celor mai multe

caracteristici de malaxare a aluaturilor de pâine.

În general, simularea numerică este aplicabilă la optimizarea proceselor reale de malaxare

acolo unde măsurătorile experimentale sunt dificil sau imposibil de realizat.

Modelul matematic prezentat în lucrare şi rezultatele obţinute pot fi de ajutor specialiştilor

din domeniul proiectării, construcţiei şi utilizării malaxoarelor pentru aluaturi de panificaţie.

6.3 Concluzii privind cercetările experimentale

Pentru realizarea obiectivelor cercetării experimentale s-a utilizat ca material de studiu, două

tipuri de făină: făină albă tip 500 şi făină albă tip 650, a căror caracteristici de calitate au fost

determinate conform SR 90:2007. Alte materiale folosite pentru obţinerea aluatului au fost

drojdia, sarea alimentară (având caracteristicile din SR 13360:1996), apa şi acidul ascorbic. 64

În vederea atingerii obiectivelor propuse în cadrul cercetării experimentale şi urmărind

metodica de cercetare stabilită s-au efectuat determinări ale consumurilor de energie pentru trei

tipuri de malaxoare: malaxorul Gostol SMH 125N, malaxorul Logiudice Forni 250 ES şi

malaxorul de capacitate mică Silver 50. Aparatura utilizată include farinograful şi mixograful

utilizate pentru studiul comportării la malaxare a aluatului, reometrul Bohlin VOR pentru

măsurători de dinamica aluatului, camera de termoviziune de tip Flir B60 pentru măsurarea

temperaturii aparente, analizorul trifazic de energie (produs de Chauvain Arnoux – Franţa)

pentru analiza consumului energetic, termometre pentru măsurarea temperaturii aluatului,

balanţe electronice pentru măsurarea maselor.

Cercetările experimentale pentru determinarea consumului de energie, în procesul de

malaxare a aluatului de pâine, s-au efectuat atât în cadrul S.C. Vel Pitar S.R.L. Braşov cât şi în

cadrul laboratorului specializat de Tehnologia Panificaţiei de la Facultatea de Alimentaţie şi

Turism din cadrul Universităţii Transilvania Braşov. S-au realizat măsurători ale puterii

consumate şi a energiei pe parcursul a 10 minute de malaxare a aluatului, în primele 5 minute

fiind realizată o malaxare lentă urmată de încă 5 minute de malaxare rapidă.

Consumul de energie la malaxarea aluatului de pâine depinde de calitatea făinii, în special

de calitatea şi cantitatea glutenului, de conţinutul de apă, de starea materiilor prime înainte de

malaxare, de felul şi turaţia braţului de malaxare.

Aluatul cu umiditate mare necesită un consum de energie mai mic decât cel de consistenţă

mare. Sarea şi substanţele oxidante măresc consumul de energie al procesului.

Pentru calitatea aluatului obţinut la malaxare este important nu numai nivelul optim de

energie ci şi viteza cu care aceasta se aplică aluatului. Astfel, unui nivel optim de energie trebuie

să-i corespundă o viteză optimă de consum a acesteia, respectiv un anumit timp de malaxare.

Influenţa vitezei de consum a energiei la malaxare se reflectă şi asupra calităţii produsului

final. Viteza cu care se consumă energia de malaxare este influenţată de consistenţa aluatului.

Aluaturile consistente au o viscozitate mare şi opun rezistenţă ridicată la malaxare, motiv pentru

care într-un timp mai scurt se absoarbe o cantitate mai mare de energie decât în cazul aluatului

de consistenţă mică unde este necesar un timp mai lung pentru a se consuma aceeaşi cantitate de

energie.

Energia de malaxare se consumă numai parţial pentru dezvoltarea aluatului, o parte din

aceasta fiind utilizată pentru amestecarea componentelor aluatului în vederea obţinerii unui

amestec omogen, iar altă parte se pierde prin transformarea ei în căldură.

Deoarece instalaţia de malaxare nu este prevăzută cu sisteme de măsurare a temperaturii

aluatului s-au realizat o serie de imagini termice cu ajutorul camerei de termoviziune Flir ce pun

în evidenţă temperatura radiantă de pe suprafaţa acestuia.

Imaginile obţinute au evidenţiat faptul că la începutul operaţiei de malaxare temperatura

aluatului avea o valoare medie uniformă de 26°C. În timpul procesului de malaxare temperatura

aluatului creşte datorită pe de o parte căldurii degajate la hidratarea particulelor de făină, iar pe

de altă parte trecerii unei cantităţi de energie mecanică în energie termică.

Creşterea temperaturii peste temperatura optimă duce la înrăutăţirea elasticităţii şi

consistenţei aluatului ca urmare a creşterii activităţii fermentative. După 9 minute de malaxare

aluatul atinge o consistenţă optimă, iar temperatura aparentă înregistrată a fost de 30.9°C.

Aluatul prezintă un comportament vâscoelastic, iar proprietăţile vâscoelastice pot fi

determinate prin metode dinamice. Un test dinamic este realizat prin aplicarea unei deformaţii

sinusoidale mici şi măsurarea deformării rezultate.

Investigarea aluatului, utilizând teste dinamice oscilatorii, a început cu determinarea

deformării sau a limitei de stres pentru care teoria de vâscoelasticitate liniară este aplicabilă.

Testul de deformare a fost realizat la o frecvenţă mică prin creşterea amplitudinii deformării. În

momentul determinării limitei de vâscoelasticitate liniară s-au realizat experimente la deformări

în această limită. Astfel pentru probele de aluat analizate valorile modulelor de depozitare şi de

pierderi au fost relativ constante pentru valori ale deformaţiei mai mici de 0.1%, ulterior acestea

înregistrându-se o descreştere a acestora pentru valori ale deformaţiei mai mari, fapt ce indică

începutul comportamentului neliniar. De asemenea, în zona deformaţiei cu valoarea 0.5% a 65

apărut o intersectare a valorilor pentru cele două module, acest lucru indicând prezenţa unui

caracter vâscos accentuat pentru toate cele patru probe analizate.

În testul de baleiaj de frecvenţă a fost păstrată constantă amplitudinea şi s-a urmărit variaţia

modulelor de forfecare pe un domeniu larg de frecvenţe. În cazul diagramelor obţinute la

baleiajul de frecvenţă, modulul de acumulare descrie comportarea elastică a probelor oferind

informaţii cu privire la stabilitatea şi rigiditatea probelor, în timp ce modulul de pierderi oferă

informaţii cu privire la comportarea vâscoasă. Valorile mari ale modulului de acumulare indică

prezenţa unei reţele interne stabile de forţe în interiorul probelor, măsură a stabilităţii mecanice şi

structurale a acesteia. În urma trasării grafice a rezultatelor în funcţie de frecvenţa aplicată s-a

constatat faptul că pentru toate cele patru probe valorile modulelor de forfecare sunt mai mari

pentru frecvenţe mari existând o dependenţă şi o creştere a valorilor obţinute cu frecvenţa

aplicată.

Din analiza curbele fluajului şi ale descărcării după fluaj se observă un comportament

vâscoelastic tipic pentru probele analizate.

6.4 Contribuţii personale

realizarea unui studiu privind comportarea la malaxare a aluatului din făină de grâu şi

evaluarea teoretică a parametrilor care caracterizează comportarea reologică a acestuia;

simularea comportării aluatului la malaxare cu utilizarea unor programe de simulare pe

calculator;

stabilirea unei metodici de cercetare pentru determinarea comportării dinamice a

aluaturilor din făină de grâu, şi determinarea consumului de energie la malaxare;

efectuarea de experimente cu ajutorul farinografului Brabender pentru evaluarea

comportării reologice, la malaxare, a aluaturilor din făină de grâu în amestec cu acid ascorbic

şi a influenţei conţinutului de acid ascorbic asupra parametrilor reologici ai aluatului şi a pâinii

produs final;

efectuarea de teste dinamice oscilatorii pe aluaturi din făină de grâu cu/fără adaos de acid

ascorbic în vederea comportării reologice a acestuia;

efectuarea de determinări de consum energetic cu ajutorul analizorului de energie, în

vederea optimizării consumului energetic.

6.5 Direcţii viitoare de cercetare

În acest domeniu pot fi continuate şi dezvoltate o serie de cercetări teoretice şi

experimentale care să contribuie la obţinerea în final a unor aluaturi de panificaţie de înaltă

calitate cu consumuri energetice minimizate;

Continuarea cercetărilor experimentale pentru alte tipuri de malaxoare de panificaţie, în

vederea reducerii consumurilor energetice;

studierea consumurilor energetice şi pentru alte tipuri de aluaturi, preparate din alte tipuri

de făină; 66

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. Baltsavias, A., Jurgens, A., Vilet van T., Rheological properties of short doughs at small

deformation, Journal of Cereal Science, 26, p. 289-300, 1997;

2. Baltsavias, A., Jurgens, A., Vilet van T., Rheological properties of short doughs at large

deformation, Journal of Cereal Science, 29, p. 33-42, 1999;

3. Banu, C., Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. I, Editura Tehnică, Bucureşti,

2000;

4. Banu, C., Manualul inginerului de industrie alimentară, vol. II, Editura Tehnică, Bucureşti,

2000;

5. Banu, C. (coordonator) ş.a., Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentară, Editura

Tehnică, Bucureşti, 2000;

6. Barnes, H.A., Handbook of Elementary Rheology, Institute of Non-Newtonian Fluid

Mechanics, University of Wales, 2000;

7. Barnes, H.A., Hutton, J.F., Walters, K., An introduction to rheology, Elsevier, Amsterdam,

1989;

8. Basaran, A., Gocmen, D., The effects of low mixing temperature on dough rheology and

bread properties, International Journal of Food Properties, 217, p. 138-142; 2003;

9. Bică (Canja), C.M., Cercetări privind influenţa parametrilor constructivi şi funcţionali ai

echipamentelor pentru coacerea pâinii – teză de doctorat, Braşov, 2007;

10. Bordei, D., Teodorescu, F., Toma, M., Ştiinţa şi tehnologia panificaţiei, Editura Agir,

Bucureşti, 2000;

11. Bordei, D., Tehnologia modernă a panificaţiei, Editura Agir, Bucureşti, 2005;

12. Cauvain, S., Young, L., Baking problems solved, Woodhead Publish. Ltd., Cambridge,

2004;

13. Dobraszaczy, B.J., Morgenstern, M.P., Rheology and the breadmaking process, Journal of

Cereal Science, 38, p. 229-245, 2003;

14. Every, D., Simmons, L., Sutton, K.H., Ross, M., Studies on the mechanism of the ascorbic

acid improver effect on bread using fractionation and reconstitution methods, Journal of

Cereal Science, 30, p. 147-158;

15. Ghimbăşan, R., Tehnologii în industria alimentară, Reprografia Universităţii Transilvania

Braşov, 2000;

16. Ghimbăşan, R., Tehnologii generale în industria alimentară, Culegere de date utile,

Editura Universităţii Transilvania Braşov, 2005;

17. Giurcă, V., Danciu, I., Tehnologia panificaţiei, Reprografia Universităţii Lucian Blaga

Sibiu, 2002;

18. Giurcă, V., Tehnologia şi utilajul industriei de panificaţie, vol. 2, Universitatea din Galaţi,

1980;

19. He, H., Hoseney, R.C., Differences in the gas retention, protein solubility and rheological

properties between flours of different backing quality, Cereal chemistry, 68, p. 526-530,

1991;

20. Hwang, C.H., Gunasekaran, S., Determining wheat dough mixing characteristics from

power consumption profile of conventional mixer, Cereal Chemistry, 78, p. 88-92, 2001;

21. Janssen, A.M., Vilet van T., Vereijken, M., Rheological behavior of wheat gluten at small

and large deformation. Comparation of two glutens differing in bread making potential,

Journal of Cereal Science, 23, p. 19-31, 1996;

22. Janssen, A.M., Vilet van T., Vereijken, M., Rheological behavior of wheat gluten at small

and large deformation. Effect of gluten composition, Journal of Cereal Science, 23, p. 33-

42, 1996;

23. Jişcanu, V., Operaţii şi utilaje în industria alimentară, vol.1-2, Universitatea Galaţi, 1972; 67

24. Jongen, T.R.G., Bruschke, M.V., Dekker, J.G., Analysis of dough kneaders using Numerical Flow

Simulations, Cereal Chemistry, 80(4), p. 383-389, 2003;

25. Kokelaar, J.J., Vliet, T., Prins, A., Strain hardening properties and extensibility of flour and gluten

doughs in relation to breadmaking performance, Journal of Cereal Science, 24, p. 199-214, 1996;

26. Kuktaine, R., Larsson, H., Johansson, E., Variation in protein composition of wheat flour and its

relationship to dough mixing behaviour, Journal of Cereal Science, 40, p.31-39, 2004;

27. Launay, B., A simplified nonlinear model for descrying the viscoelastic properties of wheat flour

doughs at high shear strain, Cereal Chemistry, 79, p. 25-31, 1990;

28. Li, W., Dobraszezyk, B. J., Schofield, J.D., Stress relaxation behaviour of wheat dough, gluten and

gluten protein fractions, Cereal Chemistry, p. 333-338, 2003;

29. Литовченко, И.Н., Интенсификация процесса замеса и совершенствование

тестомесильных машин периодического действия, Киев, 1985;

30. Mann, G., Diffey, S., Allen, H., Pumpa, J., Natha, Z., Morell, M.K., Cullis, B., Smith, A.,

Comparison of small-scale and large-scale mixing characteristics: Correlation between small-scale

and large-scale mixing and extensional characteristics of wheat flour dough, Journal of Cereal

Science, 47, p. 90-100, 2008;

31. Marin, C., Metode numerice în inginerie, Editura Politehnica Press, Bucureşti, 2005;

32. Marin, C., Tehnici de modelare şi simulare în ingineria mecanică, Editura Bibliotheca,

2010;

33. Mezger, T.G., The Rheology Handbook, 2

nd

Edition, Vincentz Network GmbH, Hannover,

2006;

34. Mert, B., A new instrumental setup for determination of small amplitude viscoelastic

properties of dough during fermentation, Eur Food Research Technology, 2007;

35. Moldoveanu, Gh., Niculescu, N.I., Melniciuc, G, Panificaţia modernă, Editura Tehnică,

Bucureşti, 2001;

36. Moraru, C., Georgescu, D., Danciu, I., Metode de analiză la cereale, făinuri şi produse

derivate, vol. 3, Galaţi, 1983;

37. Salvador, A., Sanz, T., Fiszman, S.M., Dynamic rheological characteristics of wheat

flour-water doughs. Effect of adding NaCl, sucrose and yeast, Food Hydrocolloids, 20, p.

780-786, 2006;

38. Safari-Ardi, M., Phan-Thein, N., Stress relaxation and oscillatory tests to distinguish

between doughs prepared from wheat flours at different varietals origin, Cereal

Chemistry, 75, p. 80-84, 1998;

39. Steffe, G., Rheological methods in food process engineering, Freeman Press, U.S.A.,

1996;

40. Stauffer, C.E., Functional additives for bakery foods, U.S.A., 1990;

41. Talabă, D., Bazele CAD –Proiectare asistată de calculator, Editura Universităţii

Transilvania Braşov, 2000;

42. Verhlest, M., Model evaluation and dynamics of viscoelastic fluid in a complex flow, Delft

University Press, 2001;

43. Voicu, Gh., Procese şi utilaje pentru panificaţie, Editura Bren, Bucureşti, 1999;

44. Voicu, Gh., Constantin, Gh., Ştefan, E.M., Proprietăţile reologice relevante ale aluatului

de pâine în teste dinamice oscilatorii de joasă amplitudine, INMATEH-I Agricultural

Engineering, 2011;

45. Wang, F. C., Sun, X.S., Creep-recovery of wheat flour doughs and relationships to other

physical dough tests and breadmaking performance, Cereal Chemistry, 79, p. 567-571,

2002;

46. Wehrle, K., Arendt, E.K., Rheological changes in wheat sourdough during controlled and

spontaneous fermentation, Cereal Chemistry, 75, p. 882-886, 1998;

47. Zeng, H., Morgenstern, M.P., Companella, O.H., Larsen, N.G., Rheological properties of

dough during mechanical dough development, Journal of Cereal Science, 32, p. 293-306,

2000; 68

CURRICULUM VITAE

Informaţii personale

Nume / Prenume LUCHIAN Mihaela Ionela

Adresă(e) Str. Armoniei, Nr. 7, Bl. 56, Sc. B, Ap. 3, Braşov

Data naşterii 30 Septembrie 1981

Experienţa

profesională

Funcţia sau postul ocupat Referent Specialitate Microbiologie

Numele şi adresa

angajatorului

S.C. Ursus Breweries S.A. filiala Braşov, Str. Calea Bucureşti, Nr. 251,

Braşov

Perioada 25 ianuarie 2007 – 6 septembrie 2008

Funcţia sau postul ocupat Reprezentant Relaţii Clienţi Vodafone România

Numele şi adresa

angajatorului

S.C. Professional S.R.L. Braşov, Str. Calea Bucureşti, Nr.5

Educaţie şi formare

Perioada 1 octombrie 2009 – 30 septembrie 2012

Calificarea / diploma obţinută

Doctorand Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Alimentaţie şi

Turism

Stagiu extern: University of Food Technology, Plovdiv, Bulgaria (ianuarie –

aprilie 2012)

Perioada 1 octombrie 2007 – 28 februarie 2009

Calificarea / diploma obţinută

Diplomă de Master Ingineria şi Managementul Calităţii, Universitatea

Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie Tehnologică, Specializarea

Ingineria si Managementul Calităţii

Perioada 1 octombrie 2003 – 30 iulie 2007

Calificarea / diploma

obţinută

Licenţiat în Fizică - Chimie, Certificat Absolvire Modul Pregătire Personal

Didactic, Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Ştiinţa şi

Ingineria Materialelor, Specializarea Fizică - Chimie

Perioada 15 septembrie 1996 – 30 iunie 2000

Calificarea / diploma

obţinută

Absolvent Liceu specializarea Chimie Biologie, Colegiul Naţional Mihai

Eminescu Topliţa, Jud. Harghita

Limba(i) maternă(e) Română

Limba(i) străină(e)

cunoscută(e)

Autoevaluare Înţelegere Vorbire Scriere

Nivel european (*) Ascultare Citire Participare la

conversaţie

Discurs oral Exprimare

scrisă

Engleză bine bine bine bine bine

Franceză bine bine bine satisfăcător satisfăcător

(*) Nivelul Cadrului European Comun de Referinţă Pentru Limbi Străine69

CURRICULUM VITAE

Personal information

Surname(s) / First name (s) LUCHIAN Mihaela Ionela

Address(es) Str. Armoniei, No. 7, Bl. 56, Sc. B, Ap. 3, Braşov

Date of birt 30 September 1981

Work experience

Dates 14 April 2008 - 25 September 2009

Occupation or position held Microbiologist

Name and address of

employer

S.C. Ursus Breweries S.A. Braşov, Str. Calea Bucureşti, No. 251, Braşov

Dates 25 January 2007 – 6 September 2008

Occupation or position held Customer Support Representative Vodafone Romania

Name and address of

employer

S.C. Professional S.R.L. Braşov, Str. Calea Bucureşti, No.5

Education and training

Dates 1 October 2009 – 30 September 2012

Title of qualification awarded

PhD Student at Transilvania University of Brasov, Food and Tourism Faculty

External Stage: University of Food Technology, Plovdiv, Bulgaria (January –

March 2012)

Dates 1 October 2007 – 28 February 2009

Title of qualification awarded

Master Degree Engineering and Management Quality, Transilvania University

Brasov, Technical Engineering Faculty, specialty Engineering and Quality

Management

Dates 1 October 2003 – 30 July 2007

Title of qualification

awarded

Bachelor in Physical - Chemistry, Bachelor Certificate Teachers Training

Module, Transilvania University Brasov, Faculty of Science and

technology, Specialty Physical - Chemistry

Dates 15 September 1996 – 30 June 2000

Title of qualification

awarded

Bachelor High School specialty Chemical-Biology, National College

Mihai Eminescu Topliţa, Harghita

Personal skills and

competences

Mother tongue (s) Romanian

Other language (s)

Self-assessment Understanding Speaking Writing

European level (*) Listening Reading Spoken

interaction

Spoken

production

Written

expression

English Good Good Good Very Good Good

Franch Good Good Good Good Good

(*) Common European Framework of Reference (CEE) level70

LUCRĂRI elaborate de autor în domeniul tezei de doctorat

1. Luchian, M.I., Csatlos, C., Research regarding the optimisation of consumption energy in

bread dough mixing process, Proceedings of the 15

th

International Conference Modern

Technologies, Quality and Innovation, vol.1, Chişinău, 2011;

2. Luchian, M., Csatlos, C., Particularity of the dough mixing in breadmaking process,

Journal of EcoAgriTourism, Vol.6, No. 2, p. 56-59, 2010;

3. Luchian, M., Csatlos, C., Research on the effect of α-amylase used in bakery, Journal of

EcoAgriTourism, vol.6, No. 3, p. 111-115, 2010;

4. Luchian, M.I., Canja, C.M., Effect of salt on gas production in bread dough, Bulletin of

the Transilvania University of Brasov, vol. 3(52), series II, p. 167-170, 2010;

5. Luchian, M.I., Csatlos, C., Research on change in protein composition during dough

processing, Bulletin of the Transilvania University of Brasov, vol. 4(53), no.1, series II,

p. 109-114, 2011;

6. Luchian, M.I., Csatlos, C., Research on rheological properties of bread dough, 3

rd

International Conference Advanced Composite Materials Engineering, Transilvania

University Press of Brasov, vol.3, p. 108-111, 2010;

7. Luchian, M.I., Research on dynamics of carbohydrates fermentation in bread dough, 3

rd

International Conference Advanced Composite Materials Engineering, Transilvania

University Press of Brasov, vol.3, p. 104-107, 2010;

8. Luchian, M., Research on the kinematics of flow regime on fluid mixing, Journal of

EcoAgriTourism, vol.7, No. 1, p. 30-34, 2011;

9. Luchian, M., Csatlos, C., Research on the energy generated during mixing process,

Proceedings of the Third International Conference Research People and Actual Tasks on

Multidisciplinary Sciences, vol.2, p. 142-146, Lozenec, Bulgaria, 2011;

10. Luchian, M.I., Canja, C.M., Csatlos, C., Studies on influence of water on dough

rheology and bread quality, The 4

th

International Conference Computational mechanics

and Virtual Engineering, Lux Libris Publishing House, p. 132-135, 2011;

11. Luchian, M.I., Litovchenko, I., Stefanov, S., Csatlos, C., Numerical simulation of energy

dissipation in mixing process of bread dough , Journal of EcoAgriTourism, vol. 8, No. 1,

2012, p. 30-34;

12. Luchian, M.I., Litovchenko, I., Stefanov, S., Csatlos, C., Numerical modelling and

simulation of bread dough mixing using concept of Computational Fluid Dynamics

(CFD), 5

th

International Mechanical Engineering Forum 2012, p. 584-590, Prague, Czech

Republic, 2012; 71

CONTRIBUŢII PRIVIND OPTMIZAREA ENERGETICĂ A

PROCESULUI DE MALAXARE A ALUATULUI DE PANIFICAŢIE

REZUMAT

Conducător ştiinţific, Doctorand,

Prof. univ. Dr. Ing. Carol CSATLOS Mihaela Ionela LUCHIAN

Procesul de panificaţie este un process complex. Complexitatea procesului de panificaţie se

datorează în mare măsură aluatului care se formează în timpul procesului de malaxare. Având în vedere

faptul că obţinerea pâinii are loc după un şir de operaţii tehnologice, toate consumatoare de energie,

lucrarea de faţă îşi propune să aducă o contribuţie esenţială în ceea ce priveşte consumul energetic

specific procesului de malaxare.

Cercetările teoretice întreprinse în cadrul lucrării au constat în modelarea şi simularea dinamicii

aluatului şi a procesului de malaxare a acestuia. Pentru realizarea simulării procesului de malaxare a

aluatului a fost realizat un model geometric al malaxorului real utilizat în cercetările experimentale

utilizând programul SolidWorks, o serie de rezultate importante privind distribuţia de viteze, energie şi

presiune fiind obţinute în urma simulării effectuate cu ajutorul programului FlowVision. În vederea

studierii dinamicii aluatului s-a pornit de la analiza modelelor reologice vascoelastice Kelvin-Voigt,

Maxwell şi Burgers, modele prin care poate fi descris comportamentul vâscoelastic al aluatului, simularile

fiind realizate cu ajutorul programului Matlab Simulink.

Consumul de energie la malaxarea aluatului de pâine depinde de calitatea făinii, în special de

calitatea şi cantitatea glutenului, de conţinutul de apă, de starea materiilor prime înainte de malaxare, de

felul şi turaţia braţului de malaxare. S-a constat în urma determinărilor efectuate faptul că aluatul cu

umiditate mare necesită un consum de energie mai mic decât cel de consistenţă mare, iar sarea şi

substanţele oxidante măresc consumul de energie al procesului.

CONTRIBUTION ON THE ENERGETIC OPTIMIZATION OF BREAD

DOUGH MIXING PROCESS

ABSTRACT

The bakking process is very complex. Baking complexity is largely due dough that is

formed during the mixing process. Because bread comes after a number of technological

operations, all energy consumption, the aim of this PhD is to contribute to reduce specific energy

consumption in bread dough mixing process.

Theoretical research undertaken in this paper consisted of modeling and simulating the

dynamics of dough and its mixing process. To achieve the simulation process of dough mixing,

there was made a real mixer geometry model used in experimental research, using SolidWorks

program, a series of important results on the distribution of speed, power and pressure were

obtained from the simulation program performed by FlowVision. In order to study the bread

dough dynamics it was started from the analysis of rheological viscoelastic models: KelvinVoigt, Maxwell and Burgers, models which can describe viscoelastic behavior of dough,

simulations performed using Matlab Simulink program.

Energy consumption on bread dough mixing process depends by flour quality, gluten quality

and quantity, water content, state of raw and auxiliary materials, type and speed of mixer arm.

It was found after the experiments that bread dough with high water content require a small

energy consumption comparative with dough with high consistency, and also the salt and

oxidants increase the energy consumption of bread dough mixing process.

1

Documents

Transcript of 1