Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata Diplomamunka

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Tanszék

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata Diplomamunka

Szerző: Szilágyi Artúr Előkészítéstechnikai mérnök MSc Általános eljárástechnikai szakirány Konzulensek: Dr. Mucsi Gábor, egyetemi docens Dr. Gombkötő Imre, egyetemi docens Beadás dátuma: 2013. május 8.

Miskolc, 2013

DIPLOMATERV

Feladatkiírás:

Konzultációs időpontok

EREDETISÉGI NYILATKOZAT

Alulírott Szilágyi Artúr, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a dolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem.

Miskolc, 2013. Május 13.

................................................... aláírás

TARTALOMJEGYZÉK

I. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS ........................................................................................................VI II. ABSZTRAKT...............................................................................................................................VII III. ENGLISH ABSTRACT............................................................................................................VIII 1. Fejezet: Bevezetés és célkitűzés ...........................................................................................1 2. Fejezet: Az almatörköly...........................................................................................................3 2.1 Ismert feldolgozási technológiák.....................................................................................4 3. Fejezet: Az üzem.................................................................................................................... 8 4. Fejezet: Anyagtulajdonságok laboratóriumi vizsgálata..........................................................11 4.1 Mintakisebbítés, mintafeldolgozás..................................................................................11 4.2 Nedvességtartalom meghatározása...............................................................................12 4.3 Szemcseméret eloszlás..................................................................................................14 4.4 Sűrűség.......................................................................................................................... 17 4.5 Összetétel ..................................................................................................................... 19 5. Fejezet:Technológiai vizsgálatok...........................................................................................21 5.1 Őrlés .............................................................................................................................. 21 5.2 A mag leválasztása ........................................................................................................36 5.3 Nedves szitálás.............................................................................................................. 41 6. Fejezet:Javasolt technológiai sor és berendezései...............................................................43 6.1 Osztályozás: dobszita ...................................................................................................44 6.2 Mag dúsítás: hosszanti átfolyású ülepítő kád ................................................................46 6.3 Zagysűrítés: Kézi tisztítású finom szűrőrács (szita)........................................................48 6.4 Olapréselés ................................................................................................................... 48 6.5 Szárítás.......................................................................................................................... 49 6.6 Őrlő-osztályozó technológiai sor....................................................................................50 6.7 Kiegészítő berendezések...............................................................................................52 7. Fejezet: Konklúzió................................................................................................................. 53 7.1 További kutatási irányok, javaslatok...............................................................................54

IV. IRODALOMJEGYZÉK...............................................................................................................55

I. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

“Nyári fa

alma

alatt

ül egy

a

fán,

kisleány.

Néz a kislány föl a fára, s le az alma a kislányra. Nézi

egymást

mosolyogva:

lány az almát, lányt az alma. “ Kányádi

Sándor:

Nyári alma ül a fán /részlet/ Ezúton szeretném megköszönni Csőke Barnabás professzor úrnak és Faitli József tanár úrnak az értékes tanácsokat. A konzulenseim, Dr. Gombkötő Imre és Dr. Mucsi Gábor egyetemi adjunktus iránymutatásai és lelkesedése nélkül ez a munka nem valósulhatott volna meg. A Miskolci Egyetem tudományos diákköri tevékenységét a TÁMOP-4.2.2.B/10/1-20100008 számú projekt támogatta. A kutató munka a TÁMOP‐4.2.1.B‐10/2/KONV‐2010‐0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

VI

II. ABSZTRAKT

Az almatörköly igen nagy mennyiségben keletkező, értékes élelmiszeripari melléktermék, ezért hasznosítási lehetőségeinek feltárása rendkívül indokolt. A meglévő bő szakirodalom és a Malomipari Gépgyártó Kft. (MAG Kft.) segítségével a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében elemezzük partnerünk, a Biofaktúra kft. rakamazi almafeldolgozó üzemének fejlesztési lehetőségeit. A cég mintegy 100.000 liter bio almalevet állít elő évente, a préselés után visszamaradó évi kb. 30-40 tonna almatörköly jelenleg lerakásra kerül, ezért az ebből előállítható

másodnyersanyagok

köre

került

a

vizsgálat

fókuszpontjába.

Ezek

értékesítését megkönnyíti a már meglévő hivatalos biotermék minősítés megléte, mert ezek magasabb ára gazdaságossá tehet egyébként mellőzött felhasználási módokat. Külön foglalkoztam az almamag kinyerésével is, almamagolaj előállítása céljából. Mindezek érdekében mérések során meghatározásra került a nedvességtartalom, összetétel, szemcseméret-eloszlás száraz, illetve nedves szitálással, továbbá kísérleteket végeztem a megfelelő technológia kiválasztására. A dolgozat végén javaslatot teszek egy újfajta, kombinált technológiára, amely a szárítást követő őrlés és szitálás útján nyert különböző szemcsenagyságú porok előállításánal és az almamag süllyedési végsevesség szerinti dúsításának együttese. A keletkező almatörköly port sütőipari célú alkalmazásra, míg az almamagolajat kozmetikai és gyógyszeripari felhasználásra lehet értékesíteni.

VII

III. ENGLISH ABSTRACT

In this work the technological development of the bioapple-processing plant at Tiszanagyfalu-Virányos has been investigated. Based on the existing literature sources, we examined the utilization of apple pomace, and although there are several possibilities, they are not applicable in this case, or are incomplete. Via measurements the relevant material properties of apple pomace have been determined. Systematic grinding experiments were carried out on the raw material in an ultra centrifugal mill, examining the effect of different rotor speed and the opening size of the ring sieve on the ground material, resulting that the finest product can be achieved by 75 m/s circumferential speed and 0.5 mm sieve. As the result of the basic studies, a new kind of combined apple processing technology is recommended of which detailed experiments are already running. The new feature of this is an enrichment process when seeds are separated for oil pressing, while the pressing residue and the other fractions of apple pomace are fed to grinding after drying. Finally, the finished product, namely the powder, is divided to three (commercial) size fractions. This technology has two main advantages: first, the seeds, which would otherwise loose the valuable active ingredients during drying, remain for pressing, second, with the preenrichment phase, the use of the total amount of material is not necessary in the waterintensive enrichment process.

VIII

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata

Szilágyi Artúr

1. FEJEZET: BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS A környezetvédelmi szabályozás szigorodása és a társadalom növekvő környezeti érzékenysége miatt, nem véletlenül egyre inkább előtérbe kerülnek a különböző hulladékhasznosítási lehetőségek. Sok eddig lerakásra ítélt anyag minden további nélkül újra bevezethető a termelésbe, mint újabb termékek nyersanyaga. Az almatörköly az almalé előállítása folyamán keletkező élelmiszeripari melléktermék; elsősorban héjrészeket, almahúst, magházat, magvakat és almaszárat tartalmaz. Hasznosítását leginkább az indokolja, hogy az alma a megtermelt mennyiséget tekintve a világon a harmadik legfontosabb gyümölcs a görögdinnye és a banán után; évi megtermelt mennyisége körülbelül 70 millió tonna az Élelmezésügyi Világszervezet (FAO) kimutatása szerint (FAOSTAT, 2009). Ennek nagyjából 20%-a kerül feldolgozásra almalé formájában,

tonnánként

140-160

kg

mellékterméket

eredményezve,

ami

világviszonylatban körülbelül 2-3 millió tonna almatörkölyt jelent évente (Bashan, 2010).

Célkitűzés A jelen diplomamunka tulajdonképpeni tárgyát képező - évi 100 000 liter bio almalevet előállító - feldolgozó üzemmel 2011 szeptember elején kerültem kapcsolatba. Jelenleg a keletkezett mellékterméket deponálják, ezért javasoltam az almatörköly - mint újabb termékek lehetséges alapanyagának - tanulmányozását.

Ebben dolgozatban az

almatörköly hasznosítás egy konkrét megvalósítását szeretném megalapozni, így az eljárástechnikai alap- és technológiai vizsgálatokat ennek megfelelően hajtottam végre. A visszamaradó évente körülbelül 30-40 tonna almatörköly hasznosítási lehetőségei közül elsősorban azokat részesítettem előnyben, amelyek az almára és az almalére már elnyert bio minősítés előnyeit ki tudják használni, például újabb biotermékek állíthatók elő.

A dolgozat szerkezete A bevezetés után, a második fejezetben az almatörköly általános bemutatása következik, ezután

az

elérhető

szakirodalom

áttekintését

1

adom.

A

negyedik

fejezet

a


Szilágyi Artúr

feldolgozóüzemről, annak jelenlegi technológiájáról szól. Ezután következnek az általam elvégzett laboratóriumi vizsgálatok, amelyek az eljárástechnikai szempontból releváns anyagtulajdonságok megismerését célozzák. Ezután a hatodik fejezetben a megismert tulajdonságokra alapozva elvégzett technológiai vizsgálatok következnek. Ezután ismertetem az üzem számára javasolt technológiai sort, a megfelelő berendezések kiválasztásával, végül a konlúzióban foglalom össze jelen diplomamunka eredményeit, valamint meghatározom a lehetséges további kutatásra érdemes témákat.

2


Szilágyi Artúr

2. FEJEZET: AZ ALMATÖRKÖLY Az alma préselésekor keletkező “almapép”-et almatörkölynek nevezik, az angol szakirodalomban “apple pomace” néven találhatjuk meg. Részletesen megvizsgálva az almatörkölyt, frissen fehéres-világossárgás színűnek találjuk, a benne lévő magoktól és héjdaraboktól heterogén képet mutató anyagnak. Illata kellemes, mással össze nem téveszthető almaillat. Fizikai tulajdonságait tekintve ragadós, lágy, képlékeny almadarabok és szilárdabb, kemény, fás anyagú magok és az almaszár alkotja. Benne a különböző alkotórészek (héj, hús, szár, mag) szabad szemmel is könnyen elkülöníthetők. A szakirodalom alapján összetétele 95% hús és héj, 2-4% mag, 1% magház és szár. Nedvességtartalma igen magasnak számít, 70-90% között van (Bashan 2010; (Kennedy et al., 1999). Kémiai szempontból igen változatos összetételű, rengeteg vegyület megtalálható a szárazanyagában: fehérje (2-11%), lipidek (2-5%), cukor és egyéb szénhidrátok, cellulóz, lignin, pektin, hemicellulóz és egyéb rostok (34-51%), dietikai szempontból igen értékes makro és mikroelemek (almasav, illatanyagok, enzimek, fenolok stb.) alkotják (Sato et al., 2010) Fontos jellemzője, hogy frissen nagyon rövid ideig őrzi meg minőségét, hiszen a feltárt gyümölcs szerves anyagai azonnal bomlásnak indulnak. Könnyen megfigyelhető jelenség (pl. ha a gyümölcsöt elvágjuk), hogy az alma húsa a levegő oxigénjével való érintkezéskor szinte azonnal barnulni kezd – az oxidációs folyamatok révén. Szobahőmérsékleten a lebontó folyamatok azonnal elindulnak benne, ezért hosszabb tárolás esetén a hűtésről gondoskodni kell, ellenkező esetben beindulnak a spontán erjesztő, vagy levegővel kevésbé érintkező részeken a kellemetlen szaggal járó anaerob rothadási folyamatok. A laboratóriumi vizsgálatok során ezt a tulajdonságát szem előtt tartva mindig hűtőben vagy fagyasztóban tároltam a mintaanyagokat.

3


Szilágyi Artúr

2.1 Ismert feldolgozási technológiák Az ember egyik legősibb haszonnövényeként, az alma és feldolgozási melléktermékeinek hasznosítása igen régi hagyományokkal rendelkezik. A préselés a 19. század elejétől a megfelelő gépek és a tartósítást lehetővé tevő technikák (például légmentesen zárható edények stb.) megjelenésével kezd elterjedni. Megfelelő körülmények között ugyanis az almalé sokkal könyebben eltartható, mint maga az alma, amellett, hogy annak értékes anyagainak javarészét tartalmazza. A préseléssel természetesen azonnal felbukkant a visszamaradó törköly hasznosításának problémája. Érdekesség, hogy már a nagy feltalálók korában, 1883-ban találunk almamag-leválasztó berendezés megvalósítására szabadalmi védettségért folyamodó, és azt el is nyerő tervezőt az amerikai J. D. Camp személyében (1. ábra).

1. ábra: Almamag-szeparáló berendezés szabadalmi vázlata (Camp 1883) Tudományos alapokon csak később kezdték el vizsgálni ezt az anyagot. 1967-től egészen

4


Szilágyi Artúr

1990-ig az évi egy-két darabról a nagyjából évi 25-re emelkedett a tudományos szaklapokban közölt idevágó témájú cikkek száma, derül ki Kennedy és szerzőtársai által írt, 1999-ben kiadott Analysis of Plant Waste Materials-ban (Kennedy et al., 1999) Ebben a könyvben nagy szabású összefoglalását adják a témában megjelent publikációknak, monografikus

stílusban

tárgyalva

az

almaipari

hulladékok,

maradékanyagok

legkülönbözőbb felhasználási területeit. Az azóta eltelt bő évtizedben továbbra is sok kutatás folyik a témában, igaz leggyakrabban már különleges extrakciós eljárásokkal különböző mikroalkotók (fenolok, karotinoidok, flavonoidok stb.) kinyerése a cél, vagy bonyolult kísérletekkel alátámasztott újabb speciális hasznosítások vizsgálatai, mint például nehézfémek megkötése a kinyert rostok felületén (Agnieszka, 2005). Magyarországon, a Miskolci Egyetemen Tóthné Szita Klára foglalkozott az almatörköly hasznosításával ökohatékonysági és gazdasági szempontból (Tóthné Szita, 2004). A szóban forgó cikk jó áttekintését nyújtja az almatörköly hasznosítás hazai helyzetének. Magyarországon az almatermelés az 1960-as évektől orosz piacra való termeléssel futott fel, amely a rendszerváltást követően visszaesett, de jelenleg is a legfontosabb termesztett gyümölcs. A diplomamunka gyakorlati jellegű témájából következően igen sokszor - a tudományos publikációkon túl - egy-egy felmerülő kérdésre valamely tapasztaltabb szakember véleményét kellett kérnem. A technológiai vizsgálatok során igen sokban támaszkodam a Malomipari Gépgyártó Kft. (MAG Kft) évtizedes gyakorlati tapasztalataira és tanácsaira is, amelyeket leginkább szóbeli közlések és különböző berendezések vonalrajzainak formájában bocsátottak rendelkezéseme. A tanszéki konzulenseim tanácsára és közbenjárásával 2011 szeptemberében látogattam el a MAG Kft. újpesti telephelyére, ahol személyesen is volt alkalmam megtekinteni különböző berendezéseket működés vagy éppen gyártás közben.

Felhasználási lehetőségek Az almatörköly felhasználása rendkívül változatos képet mutat, amit jól jellemez a világhálón elérhető releváns cikkek száma. Felhasználási lehetőségeinek tág köre miatt

5


Szilágyi Artúr

valóban érdemesebb inkább melléktermékről, mint hulladékról beszélni. Nyilván annak, hogy a rendelkezésre álló alternatívák közül végül melyiket alkalmazzák, az az éppen aktuális a környezetvédelmi, hatékonysági, jogi vagy piaci feltételek függvénye: •

Változtatás nélkül jó minőségű komposztként rögtön visszakerülhet a természetes körforgásba talajjavító szerként. Jelen dolgozat egyik fő alapját adó Országos Tudományos Diákköri Konferencia (OTDK) dolgozat prezentációjakor a bírálók személyes közlése szerint jelenleg Magyarországon ez az egyik legelterjedtebb hasznosítási módja.

•

Takarmányként (frissen, silózva vagy szárított formában) (Joshi & Sandhu, 1996) való hasznosítában pedig az almatermelés egyharmadát adó kínaiak járnak elöl, hiszen ezzel közvetlenül az élelmiszer-előállítás szolgálatába állíthatják a mellékterméket.

•

Gomba táptalajként való alkalmazása nem igényel semmilyen külön előkészítést (Kennedy et al., 1999).

•

Égetésre is alkalmas, noha jelentős nedvességtartalma miatt (a víz elpárolgtatása lényegében felemészti az összes keletkező hőt) ez ritkán gazdaságos, továbbá tápanyagokban gazdag beltartalma miatt ez amúgy sem preferált megoldás (Tóthné Szita, 2004).

•

Könnyen és jól erjeszthető, fermentálással etanolt vagy ecetsavat kaphatunk, anaerob körülmények közt metán és hidrogén előállítására is használható (Wang, Wang, Fang, Wang, & Bu, 2010).

•

Étkezési célú rostok, táplálékkiegészítők egyik legjobb alapanyaga, a pektinben gazdag sejtfalak a préselésnél visszamaradnak, ezért felhasználható pektin előállítására is (Schieber, Stintzing, & Carle, 2001).

•

Szárított almatörköly őrlemény igen magas antioxidáns tartalmánál fogva kis mennyiségben

hozzáadva

alkalmas

lehet

például

eltarthatóságának meghosszabbítására (Karaman et al. 2011).

6

étkezési

olajok

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata •

Szilágyi Artúr

Külön figyelmet érdemel az almamag, amely magas olajtartalommal bír, ezért sajtolással kinyert olaj - linolén-, palmitin-, sztearinsav, aminosavak, foszfor, magnézium, kálium és vas tartalmánál fogva - a kozmetikai és gyógyszeripar alapanyagaként felhasználható, az egyetlen probléma, hogy igen kis részét alkotja a törkölynek. Színe halványzöldtől citromsárgáig terjed és édeskés illattal bír. A sajtolás után visszamaradó maganyag takarmányozásra használható (Kennedy et al., 1999). Az almamagolaj világpiaci ára - nagy tételben - 10-12 ezer forintnak megfelelő összeg kilogramonként, a dolgozat megírásának idején (2013 május). Kozmetikai felhasználásra különösen alkalmassá teszi, hogy ránctalanító, bőr sejteket megújító hatású, és a hajat is erősíti, ezért ideális szappanok és samponok készítéséhez.

7


Szilágyi Artúr

3. FEJEZET: AZ ÜZEM A Tokajtól 13 km-re délkeletre fekvő, szabolcsi Tiszanagyfalu-Virányoson (2. ábra) több mint 10 éve folyik bioalma termelés 17 ha területen. A tulajdonos, Hámori András a rendszerváltást követő mezőgazdasági visszaesést “előremeneküléssel”, azaz minőségi termékek előállításával kerülte el. A területhez tartozó feldolgozó üzem építése a vállalkozás 2005-ös Kft.-vé alakulása után vált lehetővé, két ütemben. Az Európai Unió támogatásával 2007-ben készült el az almapréselő és almalécsomagoló üzem, míg a hűtőház 2010-ben. Lényegében azóta megoldatlan az évente felhalmozódó 30-40 tonna Miskolc

MAGYARORSZÁG

Tiszanagyfalu -Virányos

Tiszanagyfalu Magyarország -Virányos

2. ábra: Az üzem földrajzi helye (saját szerkesztés) almatörköly érdemi hasznosítása, jelenleg az értékes anyaga felhasználatlanul lerakásra kerül. A törköly keletkezése az év során nem egyenletes, hanem a szüret idejéhez igazodik, mert a leszüretelt almát általában napokon belül kipréselik. Ennek oka az, hogy az almalevet sokkal könnyebb hosszabb ideig tárolni, mint az almát magát, ami, még a korszerű hűtőházban 2 °C-os hőmérsekleten történő tároláskor is az időről időre teljes kézi átválogatásra szorul, hiszen egy-egy rohadásnak indult alma előbb-utóbb a környezetében lévő almákat is károsítani fogja. A szeptember-október hónapokban így körülbelül 2600 kg/nap mennyiségű almából átlagosan 800-1000 kg törköly keletkezik naponta.

8


Szilágyi Artúr

Technológiai sor Az üzemben használt összes berendezés teljesen új állapotban került beszerelésre, mert az európai uniós pályázati szabályok kizárják használt gépek beszerelését a támogatásban részesített egységbe. A 2011 szeptemberében tett látogatásom során megfigyelhettem a teljes technológiát működés közben, fotókkal és jegyzetekkel dokumentálva a látottakat. A 2 km-es körzetben lévő gyümölcsösökből 0,5 m3-es fa ládákban érkezik az alma, amelyekből egy ládaátfordító szerkezet adja fel mosásra a gyümölcsöket, amely alulról a vízbe fúvott sűrített levegő segítségével történik (3. ábra). A szennyeződések (pl. talaj) a vízzel együtt távoznak a kihordószalag perforált aljzatán. Ezután kézzel válogatják ki a hibás almákat az erre a célra rendszeresített válogatószalag mellett, majd ismételt mosás után egy csiga-lift biztosítja az egyenletes feladást az adagolódobozból a 3 kW teljesítményű kalapácsos darálóra. Innen a töret egy osztrák gyártmányú (VORAN EBP 500) típusú szalagprésre kerül, amelynek névleges feldolgozókapacitása maximum 700 kg/h. Ezután a hőkezelésre és csomagolásra egy műanyag csővezetéken kerül a lé egy másik helyiségbe. A szintén a VORAN által gyártott hőcserélő 80 °C-ra melegítve pasztörizálja a folyadékot, majd a csomagoló gép a “bag-in-box” rendszerű 3, 5 és 10 literes kiszerelésekbe tölti. A bag-in-box csomagolás lényege, hogy a steril és előre csappal ellátott polietilén tasakba légmentesen töltött almalevet karton dobozba teszik. A csap a továbbiakban is légmentes adagolást tesz lehetővé, így hűtés nélkül is hónapokig eláll.

9


Szilágyi Artúr

Alma 2600 kg/d* Mosás Unimatik ventillációs mosó

Szennyeződések

Kézi válogatás Unimatik Válogatószalag

Selejt

Adagolás Voran WA LC Adagolódoboz csigalifttel

Aprítás Voran WA LC Kalapácsos daráló

Préselés Voran EBP 500 Szalagprés 1600 kg/d*

Hőkezelés Voran PA 500 Pasztörizáló

800 kg/d* Almatörköly

Almalé Csomagolás Voran HBF 500 Bag-in-box csomagoló

* Az adatok erősen ingadozhatnak, hozzávetőleges értékük Hámori András

Termék

tulajdonos személyes közlése alapján. 3. ábra: Az üzem technológiai vázlata (saját szerkesztés).

10


Szilágyi Artúr

4. FEJEZET: ANYAGTULAJDONSÁGOK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATA A laboratóriumi vizsgálatokhoz az üzemből szállított 2 darab egyenként 30 kg tömegű almatörköly mintákat a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumába szállítottuk, ahol a szükséges műszereket és berendezéseket az intézet oktatói és munkatársai bocsátották a rendelkezésemre. Először a legfontosabb alapvető vizsgálatokat hajtottam végre azért, hogy minél több releváns információnk legyen az anyag alapvető tulajdonságairól. Ennek megfelelően mértem a halmazsűrűséget, nedvességtartalmat, meghatároztam az anyag összetételét és szemcseméret-eloszlását.

4.1 Mintakisebbítés, mintafeldolgozás Mivel a mintákat nagy, polietilén zsákokban kaptam, egyenként nagyjából 15 kg tömegű kiszerelésben, ezért szükség volt mintakisebbítésre (4. ábra), hiszen a legtöbb

500 mm

4. ábra: Mintakisebbítés (saját fotó)

11


Szilágyi Artúr

laborvizsgálat messze nem igényel ekkora tömegű mintát. Ezért keveréssel biztosítottam az egyenletes, homogén anyagi összetételt, majd a további kísérletekhez szabványos mintakisebbítéssel (negyedeléssel) állítottam elő a reprezentatív elemzési mintákat (4. ábra). Az ábrán jól látszik, hogy az anyag barnulása azonnal megkezdődik a levegő oxigénjével való érintkezéskor (a fotó körülbelül a hűtött minta kibontása után 10 perccel készült.) Emiatt a lehető leghamarabb feldolgoztam a törkölyt, illetve a nem használt mintákat további feldolgozásig maximum egy hétig hűtőszekrényben tároltam, hogy megakadályozzuk a természetes bomlási folyamatok érvényesülését. Ha ennél nagyobb időtartam elteltével használtam fel az almatörkölyt, akkor -20 °C-os hőmérsékleten, fagyasztott állapotban tartottam. 4.2 Nedvességtartalom meghatározása A nedvességtartalom az almatörköly esetében az egyik legfontosabb tényező, ami befolyásolhatja a későbbi technológiai vizsgálatokat. Az almatörköly víztartalma még a préselés ellenére is igen magas. Pontos értékének meghatározása céljából a rendelkezésemrere álló szárítószekrényben 105°C-on tartottam a tömegállandóság eléréséig (5. ábra), azaz amíg az óránként megmért tömege már nem változott két egymást követő mérés során. A kiindulási anyagtömeg (mteljes), illetve a szárítás utáni tömeg (mszilárd ) ismeretében számítható az u nedvességtartalom:

u=

mvíz m teljes −m szilárd = mteljes mteljes

ahol mvíz az anyagban lévő víz tömege. A méréssorozat során kapott értékeket az 1. táblázat foglalja össze. A szakirodalomban többféle adatot találtam a 1. táblázat. A nedvességtartalom mérési eredmények

Mintaszám mteljes [g] mszilárd [g]

u

1

500

59.91

88.02%

2

6351

408

93.57%

3

4930

390

92.09%

Átlag

91.22%

12


Szilágyi Artúr

nedvességtartalomra és a szárítási paraméterekre vonatkozóan - pl. a 60°C-on 24 órán át (Gullón, Parajó, Falqué, & Alonso, 2007) vagy a 80°C-on két órán át (Pirmohammadi, Rouzbehan, Rezayazdi, & Zahedifar, 2006). A különböző szerzők által közölt nedvességtartalom 71% és 90% közt ingadozott, préselő berendezéstől, almafajtától és szárító eljárástól függően. Az általam számított átlagérték ennél magasabb, több mint 91%-os, ami minden bizonnyal az alkalmazott magasabb, 105°C-os hőmérsékletnek köszönhető, hiszen az alacsonyabb hőmérsékleteken még kötve maradó víz ekkor teljesen eltávozik. Mindazonáltal ilyen magas hőmérsékletet csak a nedvességtartalom laboratóriumi meghatározása céljából lehet alkalmazni, hiszen ha a szárítás célja valamilyen későbbi termék előállítása (pl. ipari szárítás őrlés előtt), akkor általában nem

5. ábra: Szárítás szárítószekrényben (saját fotó) cél a teljes vízmennyiség elpárologtatása. A magas hőmérséklet egyrészt nagy energiafelhasználással gazdaságossági kérdéseket vet fel, másrészt 60-70 °C fok felett már az almatörköly számos értékes összetevője is károsodhat.

13


Szilágyi Artúr

4.3 Szemcseméret eloszlás A szemcseméret eloszlás szintén igen fontos fizikai paraméter, ami nagyban függ az alma aprításakor és préselésekor használt technológiától. Az almatörkölynek nem csak a nedvességtartalma magas, de a cukor, rost és pektin összetevők miatt ez a heterogén, lágy anyag elég ragadós és könnyen rátapad a szitarácsokra, emiatt friss állapotban a szitálással történő szemcseméreteloszlás becslés nehézségekbe ütközik. Emellett a rázásra széteső összeragadt szemcsék mérete a mérés során megváltozik. A laborba beérkező anyag szemcseméret eloszlását ezért vizes közegű nedves szitálással (6. ábra) határoztam meg, míg összevetés céljából a szárítást követően, az anyag normál, száraz szitálását is elvégeztem. 4.3.1

Nedves szitálás

A szitákat a feladással együtt vízbe merítve végeztem a nedves szitálást (6. ábra). A

200 mm

6. ábra: Nedves szitálás (saját fotó) rázás és a víz hatására azonnal megkezdődött a törköly összetapadt szemcséinek szétválása, dezagglomerálódása, habár ez nem zajlott le maradéktalanul, még intenzív

14


Szilágyi Artúr

szitálás esetén is voltak összetapadt héj és húsdarabokból álló szemcsék. A kapott frakciók tömegét megszárítva mértem le, mert a szitálás során felszívott nagy mennyiségű víz eltorzította volna a mérési eredményeket. A 2. táblázatban foglaltam össze a mérési eredményeket, illetve a 7. és 8. ábrákon látható a szemcseméret szerinti frakciók tömeghányad és kumulatív tömeghányad

1

Kumulatív tömeghányad

0.8

0.6 Szitálás vizes Nedves szitálás közegben 0.4 Száraz szitálás 0.2

0 0

5

10

15

20

25

Szemcseméret (mm)

7. ábra: Az almatörköly szemcseméret szerinti kumulált tömeghányadai (saját szerkesztés)

görbéjét. Az előbbin jól látszik, hogy 5 mm-es szemcsenagyság körül kiugróan sok szemcse található. A szitálás ezen módja tehát a különböző komponensek (mag, szár, hús, héj) közös mérettartományát jellemzi, ami azt mutatja, hogy a kalapácsos daráló többé-kevésbé egyenletesen 5 mm körüli mérettartományba aprítja az almákat.

15


Szilágyi Artúr

0.45 0.4 Szitálás vizes közegben

0.35

Tömeghányad

0.3

Száraz szitálás

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Szemcseméret (mm)

8. ábra: Az almatörköly tömeghányadai a szemcseméret függvényében (saját szerkesztés) 4.3.2

Száraz szitálás

Előzetes szárítás esetén a szemcsék dezagglomerációja elmarad, sőt a hő hatására még össze is cementálódnak, konzerválva az eredeti szemcséket, amelyek a száraz szitálás során már nem tudnak szétesni, ellentétben a nedves szitálással. A 2. táblázatban összefoglalt adatokból illetve a 7. és 8. ábrán megfigyelhető a nagyobb szemcseméretű frakciók magasabb tömeghányada, és a jóval egyenletesebb eloszlás.

16


Szilágyi Artúr

2. táblázat: A szitálás eredményei Feladás Xi

Xi+1

Száraz szitálás

Nedves szitálás

316.31 g

59.91 g

száraz

[mm] [mm]

tömeg- kumulált

száraz

tömeg-

kumulált

tömeg [g] hányad tömeghányad

tömeg [g] hányad

tömeghányad

0

2

9.32

0.029

0.029

3.92

0.065

0.065

2

3

35.17

0.111

0.141

10.61

0.177

0.243

3

6

61.69

0.195

0.336

23.8

0.397

0.640

6

10

87.6

0.277

0.613

19

0.317

0.957

10

15

85.15

0.269

0.882

2.58

0.043

1.000

15

30

37.38

0.118

1.000

0

0.000

1.000

4.4 Sűrűség A laza halmazsűrűség - adott térfogatú mérőedényt feltöltő almatörköly tömegének mérésével - számítható a jól ismert képlet segítségével:

ρhalmaz=

m V

,

ahol ρhalmaz halmazsűrűség, m mintatömeg, V pedig a mérőedény térfogata. A többször elvégzett mérések alapján kapott értékek számtani közepét vettem (3. táblázat). 3. táblázat. Az almatörköly nedves és száraz halmazsűrűsége Száraz halmazsűrűség

Nedves halmazsűrűség

Minta m [g] V [cm3] g/cm3 Minta m [g]

V [cm3] ρ [g/cm3]

1

314

1220 0.257 1

1129.6

2000

0.565

2

135.9

560 0.243 2

1104.1

2000

0.552

3

312.8

1300 0.241 3

570.1

1000

0.570

Átlag

0.247 Átlag

0.562

Az anyagot nedvesen, és szárazon is vizsgáltam, így megfigyelhető volt a laza halmazsűrűség (0.562 g/cm3) kevesebb, mint felére (0.247 g/cm3) csökkenése a víz távozásával.

17


Szilágyi Artúr

Ezen kívül megmértem az anyagsűrűséget is piknométer segítségével. A pontosan ismert tömegű és térfogatú, zárható fedelű edénybe téve a mintát desztillált vízzel feltöltjük a piknométert, majd tetején elhelyezett kis kapilláris lyuk segítségével az összes levegőt ki tudjuk belőle szorítani. Ha ugyanezt minta nélkül, csak desztillált vízzel végezzük, a két mérés eredményéből számítható a minta sűrűsége. Először a szilárd anyag, ez esetben az almatörköly minta tömegét mérjük, majd a térfogatát az általa kiszorított folyadék térfogatának meghatározásával állapítjuk meg. Ehhez négy tömegmérést kell végezni. Először a száraz, tiszta piknométer tömegét (m0) [kg] mérjük meg, majd a piknométer és a benne levő szilárd anyag együttes tömegét (m m) [kg]. Ezután megmérjük a desztillált vízzel feltöltött - a törkölyt is tartalmazó - piknométer tömegét (mf) és az üres piknométert a folyadékkal megtöltve (mv). A sűrűséget a szilárd anyag tömegének (mm - m0), valamint térfogatának hányadosaként számítjuk:

ρminta =

m m −m 0 Vm

ahol ρm a mintaanyag sűrűsége [kg m-3], Vm a minta térfogata [m3]. Ez utóbbit úgy lehet számolni, hogy a piknométer térfogatából levonjuk a szilárd anyagot kiegészítő víz térfogatát:

m −m (m −m ) V m= vρ 0 − fρ m viz viz ahol ρviz a víz sűrűsége [kg m-3]. A fenti mérés alapján meghatároztam az almatörköly, illetve külön az almamag sűrűségét. Az eredményeket a 3. táblázat foglalja össze:

18


Szilágyi Artúr

3. Táblázat: Az almatörköly és az almamag anyagsűrűsége (kg m-3) Anyag

Mérés 1

Mérés 2

Mérés 3

Átlag

Almatörköly

1046

1042

1044

1044

Almamag

1142

1132

1106

1127

Látható, hogy a törköly a vízéhez közeli sűrűségű, bár annál szignifikánsan nagyobb a sűrűsége, tehát várható valamilyen mértékű ülepedés vízbe helyezve. Az almagé körülbelül 8%-al fajsúlyosabb a többi alkotórészhez képest, ami előrevetíti a süllyedési végsebesség

szerint

szétválasztás

vizsgálatát,

mint

szóba

jöhető

szeparációs

technológiát.

4.5 Összetétel Az anyagi összetevőket a mintaanyag kézi szétválogatásával kaptam, amely során három frakciót tudtam elkülöníteni: magokat, szárat és az összetapadt húsból és héjdarabokból álló egyéb frakciót (4. táblázat). 4. táblázat. Nedves almatörköly alkotórészek anyag

m [g]

tömegarány[%]

mag

2.47

2.16

szár

0.5

0.44

héj+hús

111.37

97.40

összes:

114.34

100.0

Ezek az értékek megfelelnek a bevezetésben már említett szakirodalmi adatoknak. Az almamag aránya viszonylag kevés, amit azzal magyarázhatunk, hogy ebben az üzemben az almák átlagos méretei nagyobbak, mert nem csak a hagyományosan gyengébb, “lé” minőségű almákat préselik ki. A bevezetésben említett almalé könnyebb tárolása, eltarthatósága miatt a frissen szüretelt, egyébként piaci értékesítésre alkalmas nagyméretű gyümölcsöket is feldolgozzák, ezekben pedig relatíve kisebb a magok aránya (Hámori András cégtulajdonos szóbeli közlése). A nedves szitálással nyert szemcseméret frakciók összetevőkre bontását is elvégezemk, hogy az azokban esetlegesen előforduló alkotórész-dúsulásokra fény derüljön (5.

19


Szilágyi Artúr

táblázat). Jól látszik, hogy erőteljes dúsulások lépnek fel, a magok teljes mennyisége a 3-5 mm szemcseméretű tartományba esik, és a szár is csak két frakcióban van jelen. 5. táblázat. A nedves szitálás frakcióinak összetétele Alkotórészek tömege Xi

Xi+1

Kihozatalok

száraz tömeg

mag

szár

hús+héj

mag

szár

hús+héj

[g]

[g]

[g]

[g]

[%]

[%]

[%]

[mm] [mm] 0

2

3.92

0

0

3.92

0

0

6.99

2

3

10.61

0

0

10.61

0

0

18.93

3

6

23.8

3.270

0.300

20.23

100

50

36.10

6

8

19

0.000

0.300

18.7

0

50

33.37

8

15

2.58

0.000

0

2.58

0

0

4.60

3.27

0.6

56.04

Összesen

20


Szilágyi Artúr

5. FEJEZET: TECHNOLÓGIAI VIZSGÁLATOK A mintaanyag fizikai tulajdonságainak megismerése után a különböző hasznosítási lehetőségeket vizsgáltam, ezek közül is elsősorban a fizikai, mechanikai módszereket. Vegyi eljárásokat nem tanulmányozam, mert ezek beruházási költsége jóval nagyobb, továbbá a kemikáliák használata könnyen kizáró ok lehet a meglévő - Biokontroll Hungária Kft. által folyamatosan ellenőrzött - bio minősítés további termékekre való továbbvitelében. Sok olyan eljárás létezik - például a citromsav-, biogáz-, vagy hidrogénelőállítás - amelyeknél az almatörköly bio- vagy nem bio volta nem játszik szerepet

a

végtermék,

vagy

hasznosítási

forma

minőségi

paramétereinek

meghatározásában. Ezzel szemben a fizikai eljárásoknak az az előnye, hogy az értékes összetevők megőrződnek, továbbá lehetőség szerint a teljes anyagmennyiséget fel lehet használni. Ezek alapján a felhasználási lehetőségek három fő irányát jelöltük ki: •

különböző szemcseméretű, élemiszeriparban felhasználható porok előállítása az anyag szárítása, őrlése és osztályozása révén.

•

A magok kinyerése dúsítási és osztályozási műveletekkel, majd az almamagolaj sajtolása.

•

Az előző két hasznosítás egymásra épülő kombinációja. Ez a változat az olaj és a porok párhuzamos előállítását teszi lehetővé.

5.1 Őrlés A

szárított

almatörkölyből

készült

porokat

többfelé

alkalmazzák

az

iparban,

Magyarországon például a Malomipari Gépgyártó Kft. (MAG) foglalkozott pipadohány, tea vagy lótáp ízesítésére használt almatörköly porok előállítására alkalmas berendezések gyártásával (Bartakovics Ferenc ügyvezető igazgató szóbeli közlése). Ezeken kívül hatalmas potenciál rejlik a sütőipari felhasználásban (pl. 9. ábra) (Papp, 2009) növényi zsiradékok helyett alkalmazva (Min, Bae, Lee, Yoo, & Lee, 2010)

21


Szilágyi Artúr

9. ábra: Szárított almatörköly felhasználásával készült extrudált kenyér. Forrás: MAG Kft. Ehhez az első lépés az almatörköly minél hatékonyabb kiszárítása. A laborvizsgálatokhoz a mintaanyagot légkeveréses szárítószekrényben, 36 órán keresztül 65 °C hőmérskéleten tartottam, rendszeres - kb. 2-5 óránként manuális átkeveréssel a megfelelő sárítás céljából. A kiszárított anyagot tehát őrlésnek kell alávetni a megfelelő por szemcseméret tartomány elérése érdekében, amihez többféle malom is alkalmas lehet. Kétféle berendezést is vizsgáltam, egy centrifugális röpítőmalmot, továbbá egy pálcás őrlőt. Általános szabályként azt mondhatjuk, hogy a finomabb (250 mikronnál kisebb szemcseméretű) porok a legértékesebb frakciók, ezért ezek minél nagyobb tömegkihozatalát szerettem volna elérni.

22

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata 5.1.1

Szilágyi Artúr

A Retsch-féle röpítő (ultra centrifugális) malom

A laboratóriumban először vizsgáltam a Retsch-féle röpítőmalom (centrifugálmalom) a szárított almatörköly őrlési tulajdonságait változó kerületi sebességek esetén. A RETSCH cég által gyártott ZM 200 ultra centrifugális malom (10. ábra) működése azon

100 mm

10. ábra. A centrifugálmalom vázlata Forrás: Retsch cég prospektusa alapján saját szerkesztés) alapul, hogy a felülről adagolt szemcsék egy forgó rotoron elhelyezett őrlőfogakkal szegélyezett körlapra a forgás tengelyének irányából érkezve a centrifugális erő hatására nekicsapódnak a fogaknak. A rotor körül elhelyezett szitahengerről mindaddig visszapattannak a szemcsék a forgó lap belseje felé, amíg a szita résmérete alá nem őrlődve ki nem repülnek a gyűrű alakban elhelyezett gyűjtő egységbe. Az centrifugális erő által létrehozott ütés mellett a nagy fordulatszámú (4000-18000 fordulat/perc) rotor és a rögzített szita közt a súrlódás együttesen biztosítja az igen gyors őrléshez szükséges

23


Szilágyi Artúr

igénybevételt. Leginkább rostos, lágy vagy középkemény anyagok (pl. kollagén, csont, papír, élelmiszer, műanyagok, mészkő, szén stb.) őrlésére alkalmas. A feladást egy beépített vibrációs adagoló biztosítja. A laboratóriumban az őrlemény szemcseméreteloszlását először a rotor kerületi sebességének függvényében vizsgáltam (11., 12. ábra). A minimális (körülbelül 32 m/s) 1


0.9 0.8 0.7 0.6

F(x) 35 m/s F(x) 45 m/s

0.5

F(x) 55 m/s 0.4

F(x) 65 m/s F(x) 75 m/s

0.3

F(x) Feladás 0.2 0.1 0 0.1

1

10 Szemcseméret (logaritmikus skála) [mm]

11. ábra Szemcseméret szerinti kumulatív tömeghányadok különböző őrlőtest kerületi sebességek esetén (saját szerkesztés) és maximális (82 m/s) lehetséges kerületi sebességek közt 5 fokozatban (35, 45, 55, 65 és 75 m/s) hajtottam végre a őrlést, majd kézi szitálással határoztam meg az őrlemények szemcseméret-eloszlásait. A kerületi sebesség növekedésével megfigyelhető a kisebb szemcseméretű frakciók tömeghányadának növekedése, hiszen a nagyobb kerületi sebesség nagyobb igénybevételt jelent a malomba kerülő szemcse számára.

24


Szilágyi Artúr

0.40

0.35 35 m/s 0.30

45 m/s 55 m/s

Tömeghányad

0.25

65 m/s 75 m/s

0.20

Feladás

0.15

0.10

0.05

0.00 0.1

1 10 Log10 Szemcseméret (mm)

100

12. ábra: A szemcseméret szerint tömeghányadok különböző őrlőtest kerületi sebességek esetén (saját szerkesztés)

Az általam használt röpítőmalomban az őrlést meghatározó másik fontos paraméter az őrlőtestek körül gyűrű alakban elhelyezkedő kihordószita résmérete, hiszen a szemcse mindaddig az őrlőtérben marad, amíg a szita résméreténél kisebbre nem csökken a mérete. Ezért állandó, 75 m/s kerületi sebesség mellett kísérletet végeztem az őrlemény szemcseméret eloszlása és a szita résméret közti kapcsolat vizsgálatára (13., 14. ábrák).

25


Szilágyi Artúr

Az első őrlési kísérletben ez konstans 2 mm volt, emellett 1 és 0.5 mm-es szitákkal is elvégeztük az őrlést. 1 0.9


0.8 0.7 0.6

2 mm 1 mm

0.5

0.5 mm Feladás

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1

0.16

0.25

0.4

0.63

1

1.58

2.51

3.98 6.31 10 15.85 Log szita résméret [mm]

13. ábra: Szemcseméret szerinti kumulatív tömeghányadok különböző kihordószita résméretek esetén (saját szerkesztés) Az ábrákon jól látszik, hogy a résméret csökkenésének igen jelentős szerepe van az általunk előállítani kívánt finom frakciók arányának növekedésében. Ahhoz, hogy pontosabb képet kapjunk a két paraméter hatásáról, meghatároztuk az aprítási fokokat . Az aprítási fok nem más, mint a feladás jellemző szemcseméretének és a termék hasonló

26


Szilágyi Artúr

jellemző szemcseméretének hányadosa:

r 50 =

X 50 X , r 80= 80 ,... x 50 x 80

Ahol r50 ,r80 stb. a feladás (X) és a termék (x) szemcseméreteloszlásának 50%-ához és 80%-ához stb. tartozó aprítási fokokat jelenti.

0.5 0.45 0.4

Tömeghányad

0.5 mm 0.35

1 mm

0.3

2 mm Feladás

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.01

0.1

1

10

100

Log szemcseméret (mm) 14. Ábra Az szemcseméret szerinti tömeghányadok különböző kihordószita résméretek esetén (saját szerkesztés) A továbbiakban az r50 és r80 értékeket számoltam ki, mivel ezeket gyakran használják őrlési tulajdonságok jellemzésére. A vizsgált tartományban a kerületi sebesség többé-

27


Szilágyi Artúr

kevésbé lineáris összefüggést mutat az aprítási fokkal (15. ábra)., míg a szita lyukbőségének

csökkentésével

már

inkább

valamely

hatványfüggvény

szerinti

összefüggést mutat, ez azonban még további vizsgálatokat igényel (16. ábra). 12

Aprítási fok

10 8 6 4 R50

R80

2 0 30

35

40

45

50

55 60 65 70 Kerületi sebesség [m/s]

75

80

15. ábra. Aprítási fokok a kerületi sebesség függvényében (saját szerkesztés) 25 20 Aprítási fok

R50

R80

15 10 5 0 0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

Kihordószita résméret [mm]

16. ábra. Aprítási fokok a kihordószita résméret függvényében (saját szerkesztés)

28


Szilágyi Artúr

Szemcseméret frakciók tömeghányadai A kívánt mérettartományokba eső porok előállításhoz a legkézenfekvőbb megoldást a különböző finomságú síkszitasorok jelentik: a MAG Kft. például a 250 ill. 400 mikronos szemcseméretnél történő, háromtermékes osztályozást ajánlja. A szitálás során létrejövő termékek tömeghányadát a feladni kívánt anyag szemcseméreteloszlása határozza meg leginkább, ez esetben tehát az osztályozást megelőző őrlés tulajdonságai.

I

IIa

IIb

IIc

10 mm 16.ábra. A feladás (I) és az őrlés termékei (IIa: 250 μm alatti, IIb: 150-400 μm közötti és IIc: 400 μm fölöti szemcsemérettel)

Az őrlési kísérletekhez kapcsolódóan meghatároztam a 250 mikron alatti (finom-), a 400 mikron feletti (durva-) és a kettő közti (közép-) frakciók tömeghányadát, illetve vizsgáltam a rotor kerületi sebesség és a kihordószita résméretének hatását az eredményekre. A 17. és 18. ábrán található diagramok foglaják össze a kapott értékeket, amelyek azt mutatják, hogy

29


Szilágyi Artúr

90% 80%

Tömeghányad

70% 60% 50%

finom

40%

durva

közép

30% 20% 10% 0% 30

35

40

45

50 55 60 65 Kerületi sebesség [m/s]

70

75

80

17. ábra. A tömeghányadok a kerületi sebesség függvényében (saját szerkesztés)

Tömeghányad

80% 70%

finom

60%

durva

közép

50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

Kihordószita résméret [mm]

18. ábra. A tömeghányadok a kihordószita résméret függvényében (saját szerkesztés) a kerületi sebesség növekedése a közép- és finomtermék arányának együtes növekedését hozta a vizsgált sebességtartományban, míg a szita résméretének az eredeti negyedére való csökkentése már a középtermék arányának csökkenésével jár együtt, a finomtermék kihozatalának 28-ról 70 százalékra emelkedése mellett.

30

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata 5.1.2

Szilágyi Artúr

Verőcsapos malmi kísérletek

Miután laboratóriumi méretekben igazolódott, hogy a szárított almatörköly őrlésére a ütés, ütközés, nyírás igénybevételek jó hatásfokkal alkalmazhatók, félüzemi méretben folytattam a technológiai kísérleteket. Így az Intézet törőcsarnokában található csehszlovák gyártmányú, nagyméretű, ipari verőcsapos vagy más néven pálcás malommal végeztem őrlési sorozatokat. A MAG Kft munkatársainak személyes közlése alapján a hasonló elven működő malmok elég elterjedtnek mondhatóak a hazai élemiszeriparban. Általában kis szilárdságú, rideg száraz anyagok, mint cukor, kakaóbab, keményítő, mustar, olajos magvak őrlésére alkalmas. A berendezés működési elve (19. ábra) A feladott anyag a hegesztett garaton keresztül ömlik az őrlőházba, ahol a függőlegesen forgó rotortárcsán elhelyezett merev ütőtestű verőcsapok, pálcák körbefutva ütéssel-

19. Ábra: A verőcsapos malom vázlata. A kép forrása: Csőke (2002) ütközéssel, nyírással őrlik. A centrifugális erő hatására a feladás a törőcsapokon keresztül

31


Szilágyi Artúr

halad a kerület felé, majd az alsó kiömlőnyíláson át távozik őrlemény formájában. Kialakítását tekintve lehet egy álló és egy forgó tárcsával ellátva, vagy két szemben forgó tárcsa, amivel az ütések sebessége növelhető. Ha egy forgótárcsás (és egy állótárcsás) gép

akkor

diszmembrátornak,

ha

mindkét

verőcsapos

tárcsa

forog,

akkor

dezintegrátornak nevezzük. Az általam használt gép állótárcsás kivitelben készült azaz diszmembrátor típusú, és a 30, 40, 50 és 60 m/s rotor kerületi sebességgel működtettem a meghajtó motort, annak érdekében, hogy kiderüljön, milyen hatással van a tárcsa forgása a szárított almatörköly őrlésére (20., 21. ábra). 0.4 0.35 30 m/s 0.3

40 m/s 50 m/s

Tömeghányad

0.25

60 m/s Feladás

0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.01

0.1

1

10

100

Log 10 szecseméret 20. Ábra: A verőcsapos malmi őrlemények szemcseméret-gyakoriságai a rotor kerületi sebesség szerint(saját szerkesztés) A 21. ábrán kiválóan látszik, hogy a magasabb rotor kerületi sebesség vártnak

32


Szilágyi Artúr

megfelelően a nagyobb szemcseméretek gyakoriságát csökkenti. Az őrlemények szemcseméret gyakorisági görbéje bimodális jelleget mutat, azaz a 0.8 mm és 1.2 mm közötti tartomány hiányosabb, kisebb gyakoriságú, mint az e fölötti vagy ennél finomabb szemcseméretbe tartozó porok. Ez a kettős csúcs csak a legnagyobb rotor kerületi sebesség, a 60 m/s esetében tűnik el, amikor már igen nagy arányban képződik a legfinomabb frakció, bár egy „lépcső” még így is megfigyelhető az említett tartományban. 1 0.9 0.8


0.7 0.6 30 m/s 0.5

40 m/s

0.4

50 m/s 60 m/s

0.3

Feladás

0.2 0.1 0 0.1

1

10

100

Log10 szemcseméret (mm) 21. Ábra: Verőcsapos malmi őrlemények szemcseméret eloszlása a rotor kerületi sebesség szerint (saját szerkesztés) Az előzőekben tárgyalt Retsch malomhoz hasonlóan ebben az esetben is kiszámoltam az r50 és r80 aprítási fokokat és ábrázoltam a rotor kerületi sebesség függvényében (24. ábra).

33


Szilágyi Artúr

Rotor kerületi sebesség m/s 22. Ábra: Verőcsapos malmi őrlést jellemző aprítási fokok a rotor kerületi sebesség függvényében (saját szerkesztés) Látszik, hogy a rotor kerületi sebesség növelésével 40 m/s fölött meredekebben emelkedik az aprítási fok, mint alatt, viszont 50 m/s felett már ismét lassabban emelkedik. A felhasználás szerinti finom-, közép- durva frakciók aránya a 23. ábrán látható módon alakul. A frekvencia növelése 50 m/s-ig inkább a középes szemcseméretű frakció mennyiségének növekesének kedvez, és csak a fölött egyértelmű a legfinomabb por

Rotor kerületi sebesség m/s 23. Ábra: A finom-, közép- és durva frakciók aránya az őrleményben a rotor kerületi sebesség szerint (saját szerkesztés)

34


Szilágyi Artúr

térnyerése. Látván, hogy a 60 m/s rotor kerületi sebesség segíti elő a kedvezőbb szemcseméret léttrejöttét, a durva frakciót ismételten feladtam az őrlőberendezésre. Tehát ez esetben a feladás csak 0.8 mm feletti szemcsékből állt, ahogy a 24. ábrán bemutatott szemcseméret-eloszlás görbén is látható. 1

Kumulált tömeghányad

0.8

0.6

Feladás Őrlemény

0.4

0.2

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Szemcseméret (mm) 24. Ábra: A visszajáratott durva frakció és az őrlemény szemcseméret eloszlása (verőcsapos malom) (saját szerkesztés) Ekkor az r50 körülbelül 2-nek r80 pedig körülbelül 1.5-nek adódott, ami érdekes módon jóval alacsonyabb, mint az első körben feladott anyag őrlésekor volt megfigyelhető. Ez valószínűleg arra utal, hogy a visszajáratott anyagban már az ütközésnek jobban ellenálló, rugalmas, gömbszerű szemcsék maradtak, mint ahogy azt a minta kézbevételekor szabad szemmel is meg lehetett figyelni. Ha a hasznosítás szempontjait követő beosztást követjük, akkor 21% esett a finom frakcióba, 48% a közepes szemnagyságúba (0.315-0.8 mm), míg 31% a durvába, tehát a visszajáratás annyiban

35


Szilágyi Artúr

sikeresnek mondható, hogy a durva frakció részaránya kb. egyharmadára csökkent (az eredetileg feladott 100%-nyi durva frakcióból.)

5.2 A mag leválasztása Az almatörköly hasznosítás egy, az eddigiektől teljesen eltérő lehetőségeként az almamag kinyerését is vizsgáltam, amely préselés után egy értékes bioterméket, az almamagolajat eredményez. A MAG Kft. információi szerint szárítás után lehetőség van sűrűség alapján légszekrényben szétválasztani a magokat a törköly többi alkotórészétől - azonban az üzemi szárítás során a mag elveszíti olajtartalmának jelentős részét, ezért az így kapott terméket nem érdemes kisajtolni. A magot ebben az esetben az őrlemények ízének javítása miatt és nem olajgyártás céljából távolítják el, tehát lényegében hulladékanyag, sőt inkább drágítja az eljárást egy plusz technológiai lépcső és hulladékkezelési feladat miatt. 5.2.1

Ülepedési végsebesség mérése

Az ülepedési végsebesség kísérleti meghatározása azért fontos, mert - bár egyértelmű sűrűségkülönbség van a magok és a törköly többi része között - az ülepedést nem csak a sűrűség befolyásolja, hanem például a szemcsealak is. Egy sűrűbb szemcse is süllyedhet kisebb végsebességgel, mint egy kevésbé sűrűbb, ha például az alakja miatt nagyobb közegellenállás lép fel. Már a nedves szitáláskor történő anyagmozgatás során észrevehető volt az almamag többi alkotórészhez képest nagyobb süllyedési sebessége. Az ülepedési vizsgálatokat egy erre a célra használatos kb. 40 cm magas ülepítőhenger segítségével végeztem, amelybe beletöltöttem az előre kiszámított tömegarányú almatörköly-víz keveréket. Először igen erősen megkevertem, majd nyugalomban hagyva stopperrel mért időközönként olvastam le az aktuális rétegmagasságot a henger oldalán elhelyezkedő milliméter osztású skálán. A törkölyből a magok azonnal lesüllyedtek az edény aljára, míg a többi része igen lassan, mintegy 3 mm/s sebességgel ülepedett. Ez utóbbi számot úgy kaptam, hogy a 25. ábrán látható ülepedési görbe első, egyenesnek tekinthető szakaszára egyenest illesztettem, majd grafikusan leolvastam a tengelyekkel

36


Szilágyi Artúr

való metszéspontjait, amiknek hányadosa (azaz iránytangens) megadja az ülepedése sebességet. Fázishatár magassága [mm] 300

3 m/m% 1. 3 m/m% 2. 6 m/m% 1. 6 m/m% 2. 9 m/m% 1. 9 m/m% 2.

250 200 150 100 50 0 0

100

200

300

400

500 600 Ülepítés ideje [s]

25. ábra: Almatörköly vizes ülepedése különböző tömegkoncentrációk esetén (saját szerkesztés) A magok süllyedési végsebességét külön mértem, mivel olyan gyorsan, - másodpercek alatt - lesüllyedtek a henger aljára, hogy egyazon mérés során nem lehetett mérni a végsebességüket.

Ebben

az

esetben

felülről

adagoltam

a

nyugalomban

lévő

mérőhengerbe az almamagokat és mértem az előre kijelölt két magassági osztás elérése közt eltelt időt. Kb. 30 mérési adat átlagából relatíve gyors, mintegy 65 mm/s (47-90 mm/s tartományban) végsebességgel lehet számolni a magok esetében, azaz körülbelül hússzoros különbség van a törköly és a magok közt. Ez valójában csak részben a sűrűségkülönbség eredménye, hiszen a magok aerodinamikailag tökéletes csepp formához közel álló alakja is nagy szerepet játszik azok gyorsabb süllyedésében, míg az alma héja és húsa inkább pehelyszerű formában van jelen a törkölyben.

5.2.2

Vizes közegű ülepítés

A szakirodalom alapján a magok szétválasztására leginkább vizes ülepítéses módszerek

37


Szilágyi Artúr

léteznek. Ekkor a vízáramba helyezett almatörkölyben a magokon kívüli anyag részben oldódik, részben a mag a sűrűségénél fogva ülepedni kezd. A szakirodalmi áttekintésben bemutatott ábrán (1. ábra) látható berendezés esetén például egy ferde asztalon áramló vízréteg a felülrőd adagolt almatörkölyből a kisebb süllyedésű sebességgel bíró részeket (hús, héj) elragadja, míg a magok az asztalon az áramlásra merőlegesen elhelyezett küszöbökön felakadva egy másik gyűjtőedénybe kerülnek. Ennél a szerkezetnél, ahogy általában a vizes közegű ülepítési eljárások alkalmazhatóságánál, a legfontosabb limitáló tényező a nagy vízigény és a berendezésben használt víz kezelése, tisztítása. Emiatt érdemesebb zárt körfolyamatban üzemeltethető berendezést választani, amelyben a víz nagy része visszajáratható. A laboratóriumi kísérletekhez egy nehézközeges dúsító berendezést használtam, nehézszuszpenzió helyett vízzel. Ebben a berendezésben a víz áramlása egy zárt körfolyamatot alkot, amelyhez a nyomáskülönbséget egy alul elhelyezett csiga biztosítja, amelyet háromfázisú motor hajt. A baloldali részbe helyezve a feladást, a könnyűterméket a felfelé áramló víz magával viszi és a jobb oldali részbe viszi, míg a nehéztermék, benne a maggal helyben marad, illetve lesüllyed. Az alsó részen elhelyezett szűrőlap meggátolja a szilárd anyag lesüllyedését illetve annak visszaáramlását a bal oldali cellába (26. ábra).

26. ábra. a nehézközeges dúsító berendezés vázlata (saját szerkesztés)

38


Szilágyi Artúr

Kalibráció Mivel a berendezés süllyedési végsebesség szerint szeparál, ezért fontos volt tudni, hogy mekkora

a

víz

feláramlási

sebessége

a

csigaszivattyú

meghajtómotor

meghajtófekvenciájának függvényében függvényében. Ez a típusó szivattyú általában elég stabil működésű, azaz általában a frekvencia függvényében lineárisan növekszik a szivattyú által leadott nyomás, tehát várhatóan az áramlási sebesség is ilyen függvényt követ,

azonban

ezt

a

sejtést

igazolni

kellett.

Mivel

a

berendezésben

nincs

sebességmérésre alkalmas műszer, ezért valamilyen más módszert kellettt kitalálni a sebesség meghatározására. Több lehetőség figyelembe vétele után végül az ún. bukógát feletti átbukási magasságból számítottam a sebsséget. Ezt az ún. Poleni-összefüggést gyakran alkalmazzák különböző vízfolyások vízhozamának számítására a vízépítésben. 3

2 Q= μ b h 2 √ 2 g 3 ahol Q vízhozam (m3 s-1), b a bukógát szélessége (m), h a gát feletti átbukó víztömeg magassága (m), g gravitációs gyorsulás (m s-2), μ Bazin-féle visszahatási vagy vízhozam tényező. μ értéke empirikus képletek alapján becsülhető meg, éles szélű bukókra általában 0.6-0.7 közt változik. A képletből jól látszik, hogy az átbukott víz magasságával 3/2-ik hatvány szerint nő a vízhozam, a többi változóval pedig arányosan (a gravitációt állandónak tekintjük jelen esetben). Különböző motorfrekvenciák esetén mértem a bukógát magasságát több ponton (4. táblázat), majd a Poleni-képlet segítségével számítottam a vízhozamot. Ha már a vízhozamot meghatároztam, az áramlási sebességet a keresztmetszet ismeretében könnyű számítani:

u=

Q A

[m s-1] ()

ahol A keresztmetszet (m2), u áramlási sebesség. A keresztmetszet egy 0.2 x 0.2 m méretű négyzet, azaz A = 0.04 m2 -nek adódik.

39


Szilágyi Artúr

4. Táblázat: Kalibrációs mérési eredmények és a számított áramlási sebesség Frekvencia (Hz)

Bukógát magasság (cm)

u (mm/s)

mérés 1

mérés 2

mérés 3

mérés 4

átlag

10 20 25 30 35 40

0.5 0.75 1 1.1 1.1 1.2

0.5 0.7 0.8 0.9 0.9 1

0.5 0.8 0.9 0.9 1.1 1.2

1 -

0.5 0.75 0.9 0.97 1.03 1.13

3.4 6.2 8.2 9.1 1.0 1.1

50

1.25

1.3

-

1.28

1.4

Ha függvény alakban ábrázoljuk a frekvencia és az áramlási sebsség közti összefüggést (27. ábra), jól látszik hogy az előzetes várakozásoknak megfelelően a csigaszivattyú valóban közel lineárisan tudja növelni az áramlási sebességet a meghajtómotor frekvenciájának növelésekor. Az erre a berendezésre alkalmas lineáris függvény szerint

27. Ábra: Az víz áramlási sebessége és a motorfrekvencia közti összefüggés a nehézközeges ülepítő berendezésben (saját szerkesztés) közelítőleg az alábbi képlettel meghatározhatjuk a kívánt áramlási sebességet: u = 0.25 f + 1.16 [mm s-1], ahol f az alkalmazott motorfrekvencia (Hz), u áramlási sebesség.

40


Szilágyi Artúr

Mérés Az előzetes kalibráció során tehát megállapítást nyert, hogy a víz áramlási sebessége a berendezésben a motort meghajtó áram frekvenciájának függvényében jó közelítéssel lineárisan nő. Emiatt a kihozatalokat először a frekvencia függvényében vizsgáltuk (5. táblázat). Látszik, hogy a hajtás sebességének növekedésével egyre kevesebb nehéztermék marad a baloldali részben, viszont az alkotórész kihozatalok nem mutatnak ilyen szabályosságot. A szárítás után szintén lehetőség van sűrűség alapján - pl. légszekrényben - a szeparálásra, de a szárítás során a mag elveszíti olajtartalmának jelentős részét, ezért az így kapott terméket nem érdemes kisajtolni, így ezt a lehetőséget kizártuk. 5. Táblázat: A kihozatalok a frekvencia függvényében Frekvencia [Hz]

Tömegkihozatal

Alkotórészkihozatal

20

0,95

0,8

35

0,62

0,62

50

0,48

1

5.3 Nedves szitálás A 4.1.5-ben, az összetételnél már érintettük, hogy a vízzel történő szitálás során az almamagok teljes tömege a 3-6 mm szemcseméretű frakcióban koncentrálódik. A vizes szitálás azonban körülményes, ezért megvizsgáltuk azt a lehetőséget, hogy víz nélkül, nedves állapotban történő szitálás esetén a 3 mm és 6 mm közti termék milyen kihozatallal bír az almamagra nézve. A 7. táblázatban látható, hogy ugyan viszonylag alacsony koncentrációban (13.64%) de a középtermék tartalmazza a magok 80%-át, a kiinduló tömeg kevesebb, mint tizedébe koncentrálva.

41


Szilágyi Artúr

7. táblázat. Almamag tömegkihozatal friss állapotban történő szitálás esetén xi

xi+1

6

tömeg [g]

Almamag tömeg [g] Kihozatal Koncentráció

219.75

0.660

20.56%

0.30%

3

6

18.7

2.550

79.44%

13.64%

0

3

0

0.000

0.00%

0.00%

238.45

3.21

-

1.35%

SUM

Megfigyelhető volt, hogy a magok csak részben a szemcseméretük miatt szeparálódtak ki: jelentős szerepe volt annak is, hogy a mag felülete kevésbé ragadós, ezért enyhe rázáskor jóval könnyebben levált a többi alkotórészről, mint azok egymásról. Egy ilyen elven működő eljárás tehát előzetes dúsításként számításba vehető (lásd pl. 23. ábra).

28. Ábra: A nedves szitáláskor fellépő mag dúsulás (3 mm közű pálcás szita) (a szerző fotója)

42


Szilágyi Artúr

6. FEJEZET: JAVASOLT TECHNOLÓGIAI SOR ÉS BERENDEZÉSEI Vélenyem szerint jelen esetben megvalósítható a porelőállítás és az almamagolaj kinyerés együttes alkalmazása (29. ábra), hiszen mindkét eljárás kémiai szempontból nem, vagy csak igen kis részben változtat az almatörköly összetételén, tehát biotermékként forgalmazhatóak a belőle kinyert termékek, ami az értékesítés - és így a megtérülés- szempontjából igen fontos szempont.

Almatörköly 250 kg/h Osztályozás Dobszita 3-6 mm 50 kg/h Hűtőtároló (2m3) Friss víz 1 m3/h

>6 mm ~200 kg/h <3 mm

Szárítás Ellenáramú keverő-szárító Szárított 30 almatörk. kg/h Puffertároló

~2400 kg/h Mag dúsítás Hosszanti átfolyású ülepítő törköly 24000 kg/h mag ~240 kg/h+ víz Fázisszétválasztás Finom szűrőrács héj, hús 2250 kg/h Recirkulált víz 22.5 m3/h

Tárolás + Préselés Olajprés

Almamagolaj 5 kg/h = 150-200 kg/év

Maradékanyagok 10kg/h Szennyvíz 1 m3/h

Finom őrlemény

Szárított 200 almatörk. kg/h Őrlés Kalapácsos malom Őrlemény 200 kg/h Osztályozás Síkszitasor

Közép őrlemény

Durva őrlemény

Őrlemények összesen: 200-300 kg/h = 4-5 t/év 29. ábra. Javasolt technológiai sor (saját szerkesztés)

43


Szilágyi Artúr

Megvan továbbá az az előnye, hogy egyes részei szakaszosan kiépíthetőek, hiszen a porelőállítás az almamag leválasztása nélkül is megoldható, amit opcionálisan, későbbi beruházás keretében is meg lehet oldani. Ez azt jelenti, hogy hogy a javasolt új technológia nem egyszerűen a két különböző hasznosítás egymás után helyezése, hanem az almamagdúsítás és préselés során visszamaradt anyagok szárításba és porelőállításba vezetése miatt egy olyan lehetőség, amely mindkét módszer melléktermékeinek kezelésére is megoldást nyújt. Az őrlés és a magleválasztás

ilyen

együttes

megvalósításáról

legjobb

tudomásom

szerint

Magyarországon nincs példa. A továbbiakban a gépek fő méreteit határozom meg, és ahol lehet javaslatot teszek konkrét berendezésekre is. A napi 1 t almatörkölyt napi négy órában tehát 250kg/h kapacitással adjuk fel a dobszitára. A berendezés az év csak 2-3 hónapjában működik, amikor az aklma érik. 6.1 Osztályozás: dobszita Szemcseméret szerinti szétválasztásra, azaz osztályozásra a legelterjedtebb eszközök a sziták. Szerves anyagok (pl. szerves hulladék, komposzt stb.) sokszor használják a dobszitákat, amely egy lyukasztott acél lemezből készült henger alakú, vízszintes től 5-7° lejtésű tengely körül forgó köpeny (30. ábra). A feladott anyag a dobpalástban bizonyos magasságig

felszállítódik,

majd

a

szemcsék

egymáson

legördülve,

lecsúszva

folyamatosan áthalmozódnak. Porelszívásra a nedvességtartalom miatt itt nincs szükség

44


Szilágyi Artúr

b)

30. ábra. Dobszita vázlata (Csőke 2002 után),

Méretezése (Csőke 2002 alapján) A dobszita méretezése a dob átmérőjánek és hosszának meghatározásából áll a rendelkezésre álló feladási anyagáram és a szétválasztási szemcseméret függvényében. A méretezés alapját jelentő egyenlet a következő:

Q=q⋅x⋅Aeff ahol Q térfogatáram [m3/h], q a fajlagos feldolgozó képesség [m3 / h m2 mm], x szemcseméret [mm], Aeff effektív szitafelület [m2]. Aeff általában a teljes szitafelület 10%-a. A dobsziták L hossza [m] általában 2-4-szerese a D átmérőjének [m]. Ha az L/D arányt 3nak vesszük, akkor a szitadob A felülete [m2]: 2

A=π⋅D⋅L=3⋅π⋅D =10⋅Aeff átrendezve és behelyettesítve az előző egyenletet Aeff-re kifejezve:

D=

√ √

√

10⋅Aeff A Q 10 = = ; 3π 3⋅π q⋅x 3 π L=3D

45


Szilágyi Artúr

A térfogatáram számolható:

m Q= ρ˙ ahol m ˙ tömegáram [kg/h], ρ halmazsűrűség [kg/m3]. Az adatok:

m˙ = 250 kg/h (napi 1 t-ból számítva, négyórás működést feltételezve) ρ = 562 kg/m3 (ld. 5.1.4 pont) q = 0.15 x = 6 mm Számítás:

250 =0.45 m3 / h 562 0.45 10 D= ≈0.55 m 0.15⋅6 3⋅π L≈1.65 m A=1.65⋅0.55⋅π=2.85 m2 Q=

√

A finomtermék leválasztásához a 6 mm lyukbőségű szitaköpenyt egy második, koncentrikusan elhelyezett 3 mm lyukbőségű dobbal oldható meg. 6.2 Mag dúsítás: hosszanti átfolyású ülepítő kád A működés lényege, hogy a vízzel alkotott keverék az ülepítő kádon hosszában átfolyik, és abból a gyorsabb ülepedési végsebességű magok az átfolyás alatt elérik a kád aljzatát és kiülepednek, míg a törköly lassabban süllyedő többi részét továbbviszi a víz, azok ülepedését nem teszi lehetővé a medence hossza. Méretezése (Takács 2002 alapján) Mivel az osztályozás során igen csekély mennyiségű a 3-6 mm közti frakció (kb. 200 kg naponta, ami a dobszita napi 4 órás üzemidejét alapul véve 50 kg/h lenne), ezért az

46


Szilágyi Artúr

optimálás energiafogyasztás és munkaerőköltségek érdekében ésszerűbb egy nagyobb kapacitású berendezést kevesebb ideig működtetni, mint egy folyamatos üzemű kis teljesítményű gépbe beruházni. Ehhez viszont a megfelelő puffertároló beépítésére van szükség, mégpedig az almatörköly romlásának elkerülése érdekében hűtéssel ellátva. Ha négy naponta működtetik az ülepítőt 20 percig, akkor a letárolandó mennyiség kb. 800 kg, azaz a kb. 0.8 m3. Az

ülepítő

méretezésének

lényege

az

átfolyási

sebesség

és

az

ülepítendő

anyagáramából és süllyedési végsebességéből kiszámítani a kád keresztmetszeti méreteit és hosszát. Feltételei a lamináris áramlás és egyenletes sebességeloszlás. A függőleges keresztmetszet A [m2]:

A=

Q v

ahol Q feladás térfogatárama [m3/h], v átfolyási sebesség [m/s]. Négy naponta húsz percet működtetve a gépet, feladás térfogatárama 10 m/m %-os keveréket képezve kb. 16 m3/h (2400/h törköly + 21600 kg/h víz = 24000 kg/h a feladás, mivel a törköly sűrűsége elég közel áll a vízéhez, ezért a térfogatáram 24 m3/h-nak vehető). A v átfolyási sebesség legyen 20 mm/s, ekkor

A=

24 m3 / h 66.666⋅10−4 m 3 / s 2 = =0.167 m −2 −2 4⋅10 m/ s 4⋅10 m/ s

Ha H magasságnak 0.4 m-t veszünk, akkor B ülepítőszélesség [m] megkapható a keresztmetszet és magasság hányadosából: 2

B=

A 0.167 m = =0. 42 m H 0.4 m

Látszik tehát, hogy egy igen kis méretű szerkezetről van szó, ami egyenes következménye a kisüzemi anyagmennyiségeknek. Az ülepítő L hosszát [m] megkapjuk:

L=

H⋅v v0

47


Szilágyi Artúr

ahol v0 az az ülepedési végsebesség, amellyel a még éppen kiülepedő szemcse rendelkezik. Mivel a mag süllyedési végsebessége 47-90 mm/s között adódott a mérések során, míg a törkölyé kb. 3 mm/s-nak, ezért, ha a 30 mm/s-os szemcsék még éppen ki tudnak ülepedni, akkor valószínűsíthető, hogy a kiülepedett anyagban jóformán csak magok lesznek (v0 = 30 mm/s). Ez alapján:

L=

H

0.4 m⋅40 mm/ s =0.56 m 30 mm/ s

v0

v

A=BH

B L 31. ábra. Hosszanti ülepítő (saját szerkesztés Takács 2002 után) A magok továbbsodródását az ülepítő végén, annak aljába épített alacsony küszöbbel, vagy gyűjtő árokkal lehet megoldani. 6.3 Zagysűrítés: Kézi tisztítású finom szűrőrács (szita) Mivel a dobszitán a 3 mm alatti frakció már le lett választva, ezért egy 2 mm lyukbőségű szűrőszitának megfelelőnek kell lennie az almatörköly-víz keverék fázisszétválasztására. Kapacitása igazodik a megelőző ülepítés térfogatáramáhozt, azaz kb. 3 m3 /h -val lehet számolni. Ekkor 10 percenkénti tisztítást feltételezve körülbelül 0.7-0.9

m 3 /h szilárd

anyag (nedves almatörköly) jelentkezik minden egyes tisztításkor. A szitát a könnyebb tisztítás érdekében nem vízszintesen, hanem valamilyen kisebb (20-30°) szöget bezárva helyezzük a zagy útjába. A szita méretei szita teherbírásától függően változhat, ha elég erős anyagból van, akkor h = 0.1 m anyagággyal számolva : 3

A=

V 0.09 m = =0.9 m2 h 0.1 m 48


Szilágyi Artúr

6.4 Olapréselés Mivel az almamag mennyisége naponta igen kis mennyiséget (kb. 10-20 kg naponta), így az olajprés kapacitásának sem kell nagynak lennie. Kisüzemi csigás olajprések sokféle kivitelben kaphatók a piacon, még kézi hajtású kivitelben is pl. Piteba Oil Expeller, (5 kg/h, kézi hajtású), RP-45 / II (45 kg/h, 3 kW-s motorral). Az almamag nedvességtartalma max 5-7% lehet, amit ilyen kis mennyiségben egy nagyobb tálcán való pihentetéssel el lehet érni, mivel nem köti meg annyira a nedvességet, mint a törköly egyéb anyagai.

32. Ábra: RP-45 / II típusú olaprés (hossz: 1100mm)

6.5 Szárítás Az almatörköly szárítás minden részletbe menő, kimerítő tárgyalását adja Shalini (2010). Eredményei alapján a szárítás üteme lineárisan nő a hőmérséklet emelésével, és az ágyvastagsággal csökken. Az optimális szárításnak 60°C-on, 4 mm ágyvastagságban történhet, 1.5 m/s- vagy annál nagyobb ellenáramú légsebességgel érdemes történnie. Ez az esetünkben fennálló, ipari szempontból kisebb mennyiségnek számító kb. 250 kg/h tömegáram

megvalósítható

például

a

MAG

Kft

ellenáramú

keverő-szárítójával

(teljesítmény 1-5 t/h) . Ebben a gépben tengelyen forgó szalagspirálok végzik a keverést, miközben a melegvizes fűtés duplikátoron keresztül adja át a hőt az ellenáramlásban

49


Szilágyi Artúr

befújt levegőnek, ami megszárítja az anyagot. A külső felületek hőszigeteléssel vannak ellátva az energiaveszteség csökkentésére, míg a párás levegő elszívására két levegő leszívócsonk szolgál.

6.6 Őrlő-osztályozó technológiai sor Magyarországon egyedülálló módon, a MAG Kft. már több kész technológiát kidolgozott a szárított almatörköly őrlésére és osztályozására, emiatt ezt érdemes az általuk már tesztelt, bevált berendezésekkel megvalósítani (ld. technológiai folyamatábra a következő oldalon). A legkisebb elérhető kapacitással rendelkező technológiai soruk 2-300 kg száraz almatörköly/h teljesítményű, ami nagyjából egy nagyságrenddel haladja meg a Biofaktura Kft. jelenleg elérhető kapacitását. Ez azonban azért nem jelent gondot, mert a szárítás után a termék már sokkal tovább tárolható, így a további berendezések esetén már nem szükséges a préseléssel folyamatosan összehangolt működést biztosítani. A további őrlés és osztályozás tehát későbbi időpontban is megvalósulhat a megfelelő köztes (puffer-) tárolási kapacitás rendelkezésre bocsátásával. Mivel az őrlések során nem határoztam meg az almatörköly őrlési energiaigényét, amire lehet méretezni a berendezéseket, ezért a MAG Kft. Glória kalapácsos őrlő (VZP 100 L2 motorral) ismert teljesítményét alapul véve 300 kg/h-ban határoztam meg az anyagáramot. Ebben a malomban ugyanúgy Ebben a berendezésben egy rotoron elhelyezett 12 kalapács őrli le a feladott anyagot, amit egy 3 kW teljesítményű elektromos motor hajt (33. ábra a)). A szükséges síkszitasor méretezése az alábbi egyenlet segítségével lehetséges:

Q=q⋅x⋅A ahol Q térfogatáram [m3/h], q a fajlagos feldolgozó képesség 0.4...0.8 [m3 / h m2 mm], x szemcseméret [mm], A teljes szitafelület [m2]. átrendezve és behelyettesítve:

50


Szilágyi Artúr

Q q⋅x m Q= ρ˙ m⋅q⋅x At = ˙ ρ /0.8 A=

3

At =

2

0.250 t/h⋅0.75 m /h m mm⋅0.4 mm /0.8=0.235 m2 3 0.4 t /m

Erre a célra tökéletesen megfelel az AS-1-es típusú síkszita, amelynek előnye, hogy adott esetben könnyen cserélhetőek a szitalapok, ami a termék szemcseméretének igényekhez való igazítását teszi lehetővé. A szitálás a szitakeretek körben való gyors mozgatásával történik (33. ábra b)) .

a)

b)

33.ábra. a) MAG Kft Glória kalapácsos malom. b) Mag Kft. AS-1 síkszita. Forrás: Mag Kft. 6.7 Kiegészítő berendezések A keletkező por elszívására szükség lehet ventilátorra, illetve porleválasztó ciklonra, amit a fenti őrlő-osztályozó technológiához méretezve lehet a MAG Kft-től beszerezni. A 7.6-os pontban említettek szerint szükség lehet a szárítás és az őrlés közt egy puffertárolóra, amelynek kapacitása minimum 300 kg szárított almatörköly, aminek a térfogata kb. 1,5 m3 . Ennek többszöröse ajánlott, annál is inkább mert egy ilyen tárolóban később az elkészült őrlemények elhelyezésére is lesz mód az értékesítésig.

51


Szilágyi Artúr

A mag dúsítás során keletkező napi 0.45 m3 elhasznált vizet akár lakossági csatornahálózatba táplálva lehet eltávolítani, akár mezőgazdasági öntözés céljára is fel lehet használni, mivel szilárd anyag tartalmi igen csekély, mindössze az almatörkölyből kioldódott anyagokat tartalmazhat. Hosszabb tárolása az esetleges erjedésnek induló cukortartalom miatt nem javasolt.

6.8 A megvalósítás becsült költségei Főbb berendezések: Egység

Kapacitás

Főbb

Becsült

méretjellemzők elektromos teljesítmény Dobszita

250 kg/h

Feladóbunker Ellenáramú

Becsült

Havi üzemidő

beszerzési ár (h) Ezer Ft

D = 1m, L = 3m 2 kW

1000

V = 1 m3

100

120

1-5 t/h

L = 3m

5.5 kW

750

120

300 kg/h

12 kalapács

3 kW

500

12

300 kg/h

A = 0.7 m2

4 kW

600

12

keverőszárító Kalapácsos malom Síkszita

3

Konténer

-

V=1m

35

Ülepítő

24 m3/h

H = 0.4m L = 1kW

100

2.5

0.6 m Olajprés

45 kg/h

L = 1.1m

3kW

300

15

Finom

24 m3/h

A = 0.9 m2

-

10

2.5

V = 2m3

2kW

500

720

szűrőrács Hűtőtároló

52

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata Megvalósítás költségelemei Berendezések beépítése

0.1

Elektromosság

0.05

Kiegészítő épületek

0.05

Mérnöki tervezés, építkezés

0.1

Csővezetékek

0.07

Összesen

0.37

Berendezések összesen

1.0

Mindösszesen

1.37

Berendezések ezer Ft

3885

Mindösszesen ezer Ft

5322

53

Szilágyi Artúr


Szilágyi Artúr

7. FEJEZET: KONKLÚZIÓ A dolgozatban a tiszanagyfalu-virányosi bioalma-feldolgozó üzem technológiai fejlesztését alapoztuk meg, amelynek eredményei az alábbiakban foglalhatók össze: •

A meglévő szakirodalmi források alapján vizsgáltam az almatörköly hasznosítását és arra a következtetésre jutottam, hogy az jelenleg nem megoldott. Bár számos lehetőség adódik, azok vagy nem alkalmazhatók ebben az esetben, vagy nem teljeskörűek

•

Mérések során megállapítottam az almatörköly eljárástechnikai szempontból mérvadó tulajdonságait.

•

Az alapanyagot szisztematikus őrlési sorozatoknak tettem ki egy RETSCH ZM200 típusú laboratóriumi röpítőmalomban, vizsgálva a különböző rotor kerületi sebességek és kihordószita lyukbőségek hatását az őrleményre, amelynek eredményeként megállapítható, hogy a legfinomabb terméket 75 m/s kerületi sebesség és 0.5 mm szitarács esetén állítotam elő. Az aprítási fok a kerületi sebességgel nő, míg a lyukbőség növekedésével csökken.

•

Miután bebizonyosodott, hogy az alkalmazott ütő, nyíró igénybevétel megfelel a szárított

törköly

őrlésére,

egy

hasonló

igénybevételt

félüzemi

méretben

megvalósító verőcsapos malomra méretnagyítást hajtottam végre (“scale up”). Ezzel szintén őrlési sorozatokat hajtottam végre, és vizsgáltam az őrlés tulajdonságainak változását a rotor kerületi sebesség függvényében. •

Az almamag dúsításának érdekében egy nehézközeges ülepítő berendezést teszteltem, és vizsgáltam az alkotórészkihozatalokat, ami alapján megállapítható, hogy bár a magok jóformán teljes mennyisége az alsótermékbe jut, annak koncentrációja még mindig túl alacsony a közvetlen felhasználáshoz.

•

Az alapvizsgálatok eredményeként egy újfajta kombinált technológiát javaslok a az almatörköly feldolgozásra és hasznosítására. Ennek újdonsága abban rejlik, az általános feldolgozási megoldásokhoz képest, hogy egy elődúsítási lépcsővel

54


Szilágyi Artúr

leválasztjuk a magot, amelyből almamagolaj készül, míg a sajtolásból származó préselvényt és a törköly további frakcióit egy szárítás utáni őrlésnek tesszük ki. Az őrleményt végezetül három frakcióra bontjuk, amelyek lényegében a kereskedelmi frakciókat jelentik. A technológiának két fő előnye, hogy egyrészt megőrződik a mag a préseléshez, amely a szárítás során elveszítené értékes hatóanyagait, másrészt az elődúsítási lépéssel kiküszöböljük a törköly teljes anyagának felhasználását az igen vízigényes dúsításhoz. •

A technológia legfőbb berendezéseink méreteire és típusaira is javaslatot teszek, több esetben a konkrét berendezés gyártójával és típusával együtt. Az őrlőosztályozó sor esetén az e téren tapasztalatokkal bíró hazai MAG Kft berendezéseit javaslom.

7.1 További kutatási irányok, javaslatok Az almamag dúsításának leginkább megfelelő berendezés kiválasztása egyenlőre még várat magára. A 4.2.2.2-ben tárgyalt nedves elődúsítás például további vizsgálatokat és figyelmet érdemel, hiszen igen valószínű, hogy egy dobszitában történő osztályozás esetén még jobban felerősödne a dúsulási tendencia. A a dob forgó mozgásával ugyanis a nagy összetapadt csomók még inkább hajlamosak lennének az agglomerációra, “felszedve” magukkal a többi szemcsét is, míg a magok átesnének. További vizsgálatokat igényel az élemiszeripari minőségbiztosítás és szabványok körültekintő ellenőrzése, amelyek ismerete, betartása nélkül nem lehet élelmiszeripari terméket forgalomba hozni, és egy olyan érzékeny anyagnál, mint az almatörköly, fokozottan kell figyelni a romlás elkerülését biztosító intézkedésekre. Az almamagolaj préselése szintén igen nagy körültekintést igénylő feladat, annak érdekében, hogy a megfelelő minőségű, szennyezetlen olaj előállítás történjen. Reményeim szerint a szükséges anyagi források megtalálását követően megkezdheti működését a kibővített technológiájú üzem.

55


IV.

Szilágyi Artúr

IRODALOMJEGYZÉK

Agnieszka, N. (2005). Binding of heavy metals to pomace fibers. Food Chemistry, 90(3), 395–400. Bashan, S. (2010). Apple pomace current scenario. Palampur, India: IHBT. FAOSTAT. (2009). Food and Agriculture Organization of the United Nations. Csőke, B. (2002). Előkészítéstechnika. Egyetemi jegyzet. Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti eljárástechnikai Tanszék Gullón, B., Parajó, J. C., Falqué, E., & Alonso, J. L. (2007). Evaluation of Apple Pomace as a Raw Material for Alternative Applications in Food Industries. Food Technology and Biotechnology, 45(4), 426–433. Joshi, V. K., & Sandhu, D. K. (1996). Preparation and evaluation of an animal feed byproduct produced by solid-state fermentation of apple pomace. Bioresource Technology, 56(2-3), 251–255. Karaman, S., Ozturk, I., Yalcin, H., Kayacier, A., Sagdic, S. (2011) Comparison of adaptive neuro-fuzzy system and artificial neural networks for estimation of oxidation parameters of sunflower oil added with some natural byproduct extracts. Journal of Science, Food and Agriculture 2012; 92: 49-58 Kennedy, M., List, D., Lu, Y., Newman, R. H., Sims, I. M., & Bain, P. J. S. (1999). Apple pomace and products derived from apple pomace: uses, composition and analysis (Vol. 20, pp. 75–119). Berlin: Springer-Verlag. Min, B., Bae, I. Y., Lee, H. G., Yoo, S.-H., & Lee, S. (2010). Utilization of pectin-enriched materials from apple pomace as a fat replacer in a model food system. Bioresource Technology, 101(14), 5414–5418. Papp, G. (2009). Szárított almatörköly, mint feldolgozott ipari melléktermék közvetlen hasznosítása a sütőíparban. University of Debrecen, Debrecen, Hungary. Pirmohammadi, R., Rouzbehan, Y., Rezayazdi, K., & Zahedifar, M. (2006). Chemical composition, digestibility and in situ degradability of dried and ensiled apple pomace and maize silage. Small Ruminant Research, 66(1-3), 150–155. Sato, M. F., Vieira, R. G., Zardo, D. M., Falcao, L. D., Nogueira, A., & Wosiacki, G. (2010). Apple pomace from eleven cultivars: an approach to identify sources of

56


Szilágyi Artúr

bioactive compounds. DEA - Artigos Publicados em Periódicos. Schieber, A., Stintzing, F. ., & Carle, R. (2001). By-products of plant food processing as a source of functional compounds — recent developments. Trends in Food Science & Technology, 12(11), 401–413. Shalini, R (2010). Apple pomace drying. Lambert Academic Publishing Takács, J. (2002). Szennyvíztisztítási technológiai számítások és vízminőségi értékelési módszerek. Segédlet a Szennyvíztisztítás c. tantárgy gyakorlati foglalkozásaihoz. Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti eljárástechnikai Tanszék Tóthné Szita, K. (2004). Az almatörköly hasznosításának ökohatékonysági vizsgálata. MTA-JTB Konferenciakötet, 183–203. Wang, H., Wang, J., Fang, Z., Wang, X., & Bu, H. (2010). Enhanced bio-hydrogen production by anaerobic fermentation of apple pomace with enzyme hydrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, 35(15), 8303–8309.

57

Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata Diplomamunka

Recommend Documents