3.1. Tipuri de extrudere
Utilajul principal în care are loc extruderea tremoplastică este extruderul. Acesta a fost preluat în industria alimentară din industria prelucrării polimerilor şi din domeniile de obţinere a pastelor. În industria alimentară extruderul poate fi considerat un reactor biochimic complex care operează la temperaturi înalte, având un timp de staţionare mic, o presiune de operare mare şi în care asupra produsului se exercită eforturi de forfecare mari. În forma sa completă, un utilaj de extrudare cuprinde următoarele componente: malaxorul, extruderul propriu-zis, corpul şnecului şi şnecul (şnecurile) de lucru.
malaxorul realizează omogenizarea amestecului care urmează apoi a fi supus extrudării termoplastice şi precondiţionarea prin tratare cu abur la presiune atmosferică şi temperatură constantă;
extruderul propriu-zis este format din corp, şnec (şnecuri), filieră (cap de extrudere), cuţit de decupare şi motoreductor;
corpul şnecului are diferite forme şi poate fi prevăzut cu manta care permite încălzirea cu abur sau răcirea cu apă. În pereţii corpului, la interior, sunt practicate canale longitudinale sau elicoidale, pentru a mări coeficientul de frecare între material şi corpul extruderului şi pentru a intensifica amestecarea;
şnecul (şnecurile) de lucru sunt de mai multe tipuri şi prezintă trei secţiuni: secţiunea de alimentare, secţiunea de topire şi cea de pompare, după cum se poate observa şi din figura 3.1.
Fig.
3.1. Schiţa de principiu a unei instalaţii de extrudere.
Secţiunea de alimentare are rolul de a prelua materialul şi de a-l transporta. Această zonă lucrează la presiune atmosferică şi asigură omogenizarea amestecului şi eliminarea aerului din material. Pe această porţiune a utilajului, sistemul de încălzire nu funcţionează şi materialele nu suferă transformări nici granulometrice şi nici la nivel molecular. Secţiunea de topire lucrează la presiune joasă şi medie, aici având loc creşterea temperaturii şi plastifierea materialului. Tot în această secţiune au loc şi cele mai importante transformări fizico-chimice ale materiilor prime supuse extrudării. Acestea sunt: gelatinizarea amidonului, coagularea proteinelor şi altele. Zona de pompare este cea de presiune şi temperatură maxime, în care materialul sub formă de topitură este împins în continuare spre capul de extrudare. În această zonă materialul se comportă ca un fluid non-newtonian, fiind supus unui proces de curgere asemănător celui dintr-o pompă cu melc (Banu şi colab., 1992; Cheftel, 1990).
Extruderele se pot clasifica după mai multe criterii.
După criteriul termodinamic ele pot fi: cu funcţionare aproape adiabatică, cu funcţionare izotermă şi cu funcţionare politropică, între cele două extreme enunţate deja şi după care funcţionează majoritatea extruderelor industriale.
După intensitatea eforturilor de forfecare. Mult mai practică este clasificarea după intensitatea eforturilor de forfecare create în extruder Aceste eforturi de forfecare depind de frecarea dintre şnec, corpul extruderului şi materialul supus extrudării. După acest criteriu există: extrudere care funcţionează la eforturi de forfecare mici şi extrudere care funcţionează la eforturi de forfecare mari. Primele pot realiza o comprimare puternică a materialului şi au corpurile prevăzute cu canale pentru a intensifica amestecarea materialui. Se folosesc pentru aluaturi semi-preparate şi pentru obţinerea hranei animalelor de companie, produsele obţinute având un grad mai mare de umiditate. Extruderele care funcţionează la eforturi mari de forfecare pot fi considerate ca extrudere HTST, deoarece realizează temperaturi mari pentru un timp scurt. Având valori mari ale efortului de comprimare şi fiind prevăzute cu mecanisme auxiliare de încălzire şi răcire, ele se folosesc pentru o mare diversitate de alimente, cum ar fi cereale instant, proteine vegetale texturate, pufuleţi, alimente pentru hrana animală.
După numărul şnecurilor din corpul extruderului, există extrudere cu un singur şnec (de tip mono-şurub), extrudere cu şnec dublu şi extrudere multi-şnec. Cele monoşurub s-au dezvoltat în anii 1940 şi au fost cel mai mult utilizate până de curând, ele provenind din cele folosite în industria prelucrării polimerilor. Extruderele cu şnec dublu au fost introduse 30 de ani mai târziu. Avantajele şi dezavantajele acestor tipuri de extrudere sunt discutate pe larg în literatură (Fichtali şi Van de Voort, 1989; Hauk şi Huber 1989, Van Zuilichem şi colab. 1984). Comparativ cu cele monoşurub, extruderele cu dublu şurub au o capacitate mai bună de amestecare şi de transport a materialului. Aparatele cu două şnecuri pot fi alimentate cu materii prime având o plajă de granulometrie mult mai mare şi care pot avea vâscozităţi de la valori foarte mici la valori foarte mari, fără să deranjeze prezenţa materiilor grase sau a zahărului. În plus, dacă cele monoşurub nu pot prelucra decât materii prime cu umiditate cuprinsă între 10-30%, cele cu şnec dublu pot utiliza materii prime cu umiditate între 10-95%. Parametrii de control sunt mai independenţi la extruderele cu şnec dublu, de exemplu: debitul de alimentare şi viteza de rotaţie a şnecului.
Extruderele monoşurub funcţionează ca şi pompele pentru fluide similare. Transportul rezultă în principal din diferenţa între forţele de frecare şi cele de natură vâscoasă care apar la contactul dintre şurub şi materialul supus extruderii
şi dintre corpul extruderului şi produsul extrudat.
Fig.
3.2. Schiţa unei
porţiuni a
unui
şnec folosit într-un extruder
mono-şurub
Pentru a avea o capacitate optimă de transport şi pompare, fluidul
trebuie să adere de pereţii corpului extruderului şi să alunece
liber de pe suprafaţa şnecului. Eficienţa mecanică a acestor
utilaje este mică, deoarece o bună parte din energia consumată se
disipează sub formă de căldură. Extruderele monoşurub pot
genera presiuni mari în funcţie de lungimea şnecului, de pasul
acestuia, de adâncimea canalului şi de
viscozitatea aparentă a produsului. Corpul extruderului poate fi
neted sau prevăzut cu canale longitudinale sau elicoidale. În
figura 3.2 este prezentată schiţa unei porţiuni dintr-un şnec
folosit într-un extruder mono – şurub.
Extruderele cu şnecuri duble au mărit aria aplicaţiilor din industria alimentară permiţând un control mai mare al operaţiei de extrudere şi având o flexibilitate mai mare.
Cele două şnecuri se pot roti în sensuri contrare sau în acelaşi sens după cum se poate observa şi din figura 3.3 a şi b. În plus, în funcţie de montajul cuptorului, şnecurile pot fi separate unele de altele, tangenţiale sau întrepătrunse total sau parţial, după cum se poate observa şi din figura 3.4.
Fig. 3.3. Sensurile de deplasare a şnecurilor într-un extruder cu două şnecuri (adaptare după Benbow şi Bridgwater, 1993).
Fig.
3.4. Tipuri de contact între şnecurile unui extruder cu dublu
şurub.
În figura 3.5 este prezentat extruderul Clextral BC-45.
Fig.
3.5. Extruderul Clextral cu şnec dublu-vedere generală:
1 - cadru susţinere, 2 - filieră, 3 - glisieră şi sistem de acţionare glisieră, 4 - sistem de răcire, 5 - încălzire Indutherm până la 3000C în 10 minute, 6 - sistem de amortizare, 7 -reductor, 8 - pompă dozatoare, 9 - motor electric de curent continuu, 10 - ventilator, 11 -injecţie apă, 12 - dozator pentru alimentare solide, 13 - alimentare secundară cu apă, 14 - module independente, 15 - colier, 16 - cuţit granulator.
Fig. 3.6. Imagine a şnecurilor duble
ale extruderului Clextral:
1 - corpul extruderului, 2 – şnecuri
întrepătrunse.
Aparatul este montat pe un postament (1) care dispune de un sistem glisant (3). Un motor de curent continuu (9), răcit de un ventilator (10), antrenează cele două şnecuri canelate. Între motor şi arbore există un reductor de viteză (7). Un sistem de amortizare (6) dispus înaintea arborelui permite acestuia să preia forţele care se transmit axial prin şnecuri, forţe produse de gradienţii de presiune dezvoltaţi de-a lungul acestuia. Există şi o pompă de ulei care are rolul de a unge părţile mecanice în rotaţie (reductor, sistem de amortizare) şi un dozator cu dublu şurub volumetric (12) care permite alimentarea extruderului cu materiale pulverulente, în timp ce o pompă dozatoare (8) permite să se modifice conţinutul de umiditate al amestecului în extruder prin injecţie (11). O a doua alimentare cu apă se poate face prin orificiul de alimentare (13). Un cuţit granulator poate fi fixat pe filieră pentru a desprinde continuu extrudatul.