atuВестник Алматинского технологического университетаThe Journal of Almaty Technological University2304-568X2710-0839АО "АТУ"10.48184/2304-568X-2024-4-105-121atu-2426Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИFOOD AND PROCESSING INDUSTRY TECHNOLOGYМатематическое моделирование течения расплава мультизлакового сырья в процессе коэкструзииMathematical modeling of multi-cereal raw material melt flow in the coextrusion processhttps://orcid.org/0000-0002-2335-0017ОстриковА. Н.OstrikovA. N.

394036, Воронеж, пр. Революции, 19.

394036, Voronezh, Revolution Ave., 19.

ostrikov27@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3813-603XОспановА. А.OspanovA. A.

050010, Алматы, пр. Абая, 8.

050010, Almaty, Abay Ave., 8.

ospanov_abdymanap@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1547-9814ВасиленкоВ. Н.VasilenkoV. N.

394036, Воронеж, пр. Революции, 19.

394036, Voronezh, Revolution Ave., 19.

vvn_1977@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5955-9253ТимурбековаА. К.TimurbekovaA. K.

050010, Алматы, пр. Абая, 8.

050010, Almaty, Abay Ave., 8.

timurbekova_aigul@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2678-2613КопыловМ. В.KopylovM. V.

394036, Воронеж, пр. Революции, 19.

394036, Voronezh, Revolution Ave., 19 

https://orcid.org/0000-0002-3141-3049АлмаганбетоваА. Т.AlmaganbetovaA. T.

050010, Алматы, пр. Абая, 8.

050010, Almaty, Abay Ave., 8.

erkemturmahan@mail.ruВоронежский государственный университет инженерных технологийРоссияVoronezh State University of Engineering TechnologiesRussian FederationКазахский национальный аграрный исследовательский университетКазахстанKazakh National Agrarian Research UniversityKazakhstan2024181220241464105121Copyright © Остриков А.Н., Оспанов А.А., Василенко В.Н., Тимурбекова А.К., Копылов М.В., Алмаганбетова А.Т., 20252025Остриков А.Н., Оспанов А.А., Василенко В.Н., Тимурбекова А.К., Копылов М.В., Алмаганбетова А.Т.Ostrikov A.N., Ospanov A.A., Vasilenko V.N., Timurbekova A.K., Kopylov M.V., Almaganbetova A.T.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-atu.kz/jour/article/view/2426

Разработана математическая модель течения расплава мультизлаковой смеси в канале экструдера для определения рациональных параметров процесса коэкструзии. Математическая модель включает уравнение движения и уравнение сохранения энергии и граничные условия, а также реологический закон течения расплава исследуемой смеси. В результате расчетов были определены геометрические параметры шнека: глубина и ширина канала экструдера, средняя скорость течения и температура экструдата по длине рабочей камеры. Сравнение расчетной температуры экструдата Tк = 136,2 °С и ее экспериментального значения Tк = 135 °С, показывает высокую адекватность. Численное решение математической модели течения вязкой жидкости расплава исследуемой смеси на рассматриваемом участке через канал экструдера позволяет установить характер изменения скорости и давления расплава экструдата. Полученные зависимости легли в основу расчета и проектирования конструкции двухшнекового экструдера, каждый из шнеков которого состоит из трех зон: первой зоны компрессии, которая включает три участка: загрузки, сжатия и дозирования; декомпрессионно-экстракционной зоны, которая включает два участка: декомпрессии и экстракции; и второй зоны компрессии, которая включает два участка: гомогенизации и нагнетания. Использование двухшнекового экструдера позволит расширить технологические возможности экструдера по производству экструдированных продуктов различного поликомпонентного состава; обеспечить необходимую глубину физико-химических превращений компонентов обрабатываемого продукта за счет регулирования теплоподвода.

A mathematical model of the melt flow of a multi-cereal mixture in an extruder channel has been developed to determine the rational parameters of the coextrusion process. The mathematical model includes the equation of motion and the equation of energy conservation and boundary conditions, as well as the rheological law of the melt flow of the mixture under study. As a result of the calculations, the geometric parameters of the screw, the depth and width of the extruder channel, the average flow rate and the temperature of the extrudate along the length of the working chamber were determined. A comparison of the calculated extrudate temperature Tk = 136.2 °C and its experimental value Tk = 135 °C shows high adequacy. The numerical solution of the mathematical model of the flow of a viscous liquid melt of the studied mixture in the considered section through the extruder channel allows us to establish the nature of the change in the speed and pressure of the extrudate melt. The obtained dependencies formed the basis for the calculation and design of the twin-screw extruder design, each screw of which consists of three zones: the first compression zone, which includes three sections: loading, compression and dosing; decompression-extraction zone, which includes two sections: decompression and extraction; and the second compression zone, which includes two sections: homogenization and injection. The use of a twin-screw extruder will expand the technological capabilities of the extruder for the production of extruded products of various polycomponent compositions; ensure the necessary depth of physicochemical transformations of the components of the processed product due to the regulation of heat supply.

коэкструзияматематическая модельтечениерасплавпроектированиетрехзонный экструдерcoextrusionmathematical modelflowmeltdesignthree-zone extruderReferencesОспанов А.А., Остриков А.Н., Муслимов Н.Ж., Джумабекова Г.Б. Технология производства коэкструдированных пищевых продуктов. Монография. – Алматы: ТОО "Нур-Принт", 2018. – 211 б.Ospanov A.A., Ostrikov A.N., Muslimov N.Zh., Jumabekova G.B. Tekhnologiya proizvodstva koekstrudirovannykh pishchevykh produktov [Technology of production of co-extruded food products]. Monografiya. – Almaty: TOO «Nur-Print», 2018. – 211 р. (In Russian)Veremey E., Fatykhov Y., Alshevsky D. Coextrusion process modeling of high viscosity food masses // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2021. – Т. 2419. – №. 1. – P. 030004.Veremey E., Fatykhov Y., Alshevsky D. Coextrusion process modeling of high viscosity food masses // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2021. – Т. 2419. – №. 1. – Р. 030004.Fatyhov U.A., Shumanov V.A., Zarudnyi V.A. A Mathematical model of the co-extruding process //Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. – 2015. – №. 3. – P. 41-43.Fatyhov U.A., Shumanov V.A., Zarudnyi V.A. A Mathematical model of the co-extruding process // Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. – 2015. – №. 3. – Р. 41-43.Adekola K.A. Engineering review food extrusion technology and its applications //Journal of Food Science and Engineering. – 2016. – Т. 6. – №. 3. – P. 149-168.Adekola K.A. Engineering review food extrusion technology and its applications // Journal of Food Science and Engineering. – 2016. – Т. 6. – №. 3. – Р. 149-168.Jun Ho Mun, Ju Hyeon Kim, Sang Ho Mun and See Jo Kim. Modeling and numerical simulation of multiflux die in the multilayer co-extrusion process / Korea-Australia Rheology Journal, 29(1), 51-57 (February 2017).Jun Ho Mun, Ju Hyeon Kim, Sang Ho Mun and See Jo Kim. Modeling and numerical simulation of multiflux die in the multilayer co-extrusion process / Korea-Australia Rheology Journal, 29(1), 51-57 (February 2017).A. Hammer, W. Roland, C. Marschik, G. Steinbichler. Predicting the co-extrusion flow of non-Newtonian fluids through rectangular ducts – A hybrid modeling approach / Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 295, (2021). 104618.A. Hammer, W. Roland, C. Marschik, G. Steinbichler. Predicting the co-extrusion flow of nonNewtonian fluids through rectangular ducts – A hybrid modeling approach / Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 295, (2021). 104618.Vynckier A. K. et al. Hot-melt co-extrusion: requirements, challenges and opportunities for pharmaceutical applications //Journal of pharmacy and pharmacology. – 2014. – Т. 66. – №. 2. – P. 167-179.Vynckier A.K. et al. Hot-melt co-extrusion: requirements, challenges and opportunities for pharmaceutical applications //Journal of pharmacy and pharmacology. – 2014. – Т. 66. – №. 2. – Р. 167-179.Chew S.C., Nyam K.L. Microencapsulation of kenaf seed oil by co-extrusion technology // Journal of food engineering. – 2016. – Т. 175. – P. 43-50.Chew S.C., Nyam K.L. Microencapsulation of kenaf seed oil by co-extrusion technology // Journal of food engineering. – 2016. – Т. 175. – С. 43-50.Silva M.P. et al. Comparison of extrusion and coextrusion encapsulation techniques to protect Lactobacillus acidophilus LA3 in simulated gastrointestinal fluids // LWT. – 2018. – Т. 89. – P. 392-399.Silva M.P. et al. Comparison of extrusion and coextrusion encapsulation techniques to protect Lactobacillus acidophilus LA3 in simulated gastrointestinal fluids // LWT. – 2018. – Т. 89. – Р. 392-399.Piazza L., Roversi T. Preliminary study on microbeads production by co-extrusion technology // Procedia Food Science. – 2011. – Т. 1. – P. 1374-1380.Piazza L., Roversi T. Preliminary study on microbeads production by co-extrusion technology // Procedia Food Science. – 2011. – Т. 1. – Р. 1374-1380.Sun-Waterhouse D. et al. Storage stability of phenolic-fortified avocado oil encapsulated using different polymer formulations and co-extrusion technology // Food and Bioprocess Technology. – 2012. – Т. 5. – №. 8. – P. 3090-3102.Sun-Waterhouse D. et al. Storage stability of phenolic-fortified avocado oil encapsulated using different polymer formulations and co-extrusion technology // Food and Bioprocess Technology. – 2012. – Т. 5. – №. 8. – Р. 3090-3102.Goh K.M., Low S.S., Nyam K.L. The changes of chemical composition of microencapsulated roselle (Hibiscus sabdariffa L.) seed oil by co‐extrusion during accelerated storage // International Journal of Food Science & Technology. – 2021. – Т. 56. – №. 12. – P. 6649-6655.Goh K. M., Low S. S., Nyam K. L. The changes of chemical composition of microencapsulated roselle (Hibiscus sabdariffa L.) seed oil by co‐extrusion during accelerated storage // International Journal of Food Science & Technology. – 2021. – Т. 56. – №. 12. – Р. 6649-6655.Василенко В.Н. и др. Аналитическое определение температурных полей биополимеров в формующем канале экструдера при коэкструзии // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2014. – №. 1 (59). – C. 13-18.Vasilenko V.N. i dr. Analiticheskoye opredeleniye temperaturnykh poley biopolimerov v formirovanii kanala ekstrudera pri koekstruzii [Analytical determination of temperature fields of biopolymers in the forming channel of an extruder during coextrusion] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy. – 2014. – №. 1 (59). – Р. 13-18. (In Russian)Тихонова Н.В. Разработка и исследование качества коэкструзионных изделий – трубочек с подваркой из микроклонированной земляники садовой //Актуальные проблемы пищевой промышленности и общественного питания. – 2017. – C. 270-276.Tikhonova N.V. Razrabotka i issledovaniye kachestva koekstruzionnykh izdeliy – trubochek s podvarkoy iz mikroklonirovannoy zemlyaniki sadovoy [Development and research of the quality of coextrusion products – tubes with a weld from microcloned garden strawberries] // Aktual'nyye problemy pishchevoy promyshlennosti i obshchestvennogo pitaniya. – 2017. – Р. 270-276. (In Russian)Ospanov A., Timurbekova A., Muslimov N., Almaganbetova A., Zhalеlov D. The extrusion process of poly-cereal mixtures: study and calculation of the main parameters Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 2022. – V. 16. – P. 645-655 https://doi.org/10.5219/1756Ospanov A., Timurbekova A., Muslimov N., Almaganbetova A., Zhalеlov D. The extrusion process of poly-cereal mixtures: study and calculation of the main parameters Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 2022. – V. 16. – P. 645-655 https://doi.org/10.5219/1756

The authors declare that there are no conflicts of interest present.