Titlul tezei de doctorat: [616649]

Titlul tezei de doctorat:
STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND IMPLEMENTAREA UNUI SISTEM DE
MĂSURARE ȘI CONTROL ÎN TIMP REAL AL CONSUMULUI ENERGETIC AL
FRĂMÂNTĂTOARELOR DE ALUAT

RAPORT DE CERCETARE ȘTIINȚIFICĂ NR. 5

Titlul raportului:
PRELUCRAREA ȘI INTERPRETAREA DATELOR EXPERIMENTALE, CONCLUZII
GENERALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

Conducător științific : Prof.univ.dr.ing. Gheorghe VOICU

Autor : Drd.ing. Gheorghe Muscalu

BUCUREȘTI 2017

2
TITLUL TEZEI DE DOCTORAT:

STUDII ȘI CERCETĂRI PRIVIND IMPLEMENTAREA UNUI SISTEM CARE POATE
MĂSURA CONSUMUL ENERGETIC ÎN TIMP REAL PE ORICE TIP DE FRĂMÂNTĂTOR

TITLURILE RAPOARTELOR ȘTIINȚIFICE:

Raport de cercetare nr. 1
ANALIZA CONSTRUCȚIEI ȘI A PROCESULUI DE LUCRU AL UTILAJELOR DE
FRĂMÂNTAT

Raport de cercetare nr. 2
SINTEZA CERCETĂRILOR TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE PRIVIND
PROCESUL DE FRĂMÂNTARE PE PLAN MONDIAL ȘI CARACTERIZAREA REOLOGICĂ
A ALUATULUI DIN FĂINA DE GRÂU

Raport de cercetare nr. 3
ASPECTE ȘI CONTRIBUȚII TEORETICE PRIVIND MODELAREA MATEMATICĂ
A PROCESULUI DE LUCRU PENTRU UTILAJELE DE FRĂMÂNTAT

Raport de cercetare nr. 4
CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND CARACTERISTICILE SISTEMULUI DE
MĂSURARE ȘI CONTROL PROPUS PENTRU DETERMINAREA ÎN TIMP REAL A
CONS UMURILOR ENERGETICE ALE FRĂMÂNTĂTO ARELOR DE ALUAT

Raport de cercetare nr. 5
PRELUCRAREA ȘI INTERPRETAREA DATELOR EXPERIMENTALE,
CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE
CERCETARE

3

Cuprins
1. Cercetări experimentale privind dezvoltarea aluatului. Analiza influenței adaosului de sare în
aluat și evaluarea influenței brațului de frământare asupra comportării aluatului, folosind simularea
numerică tridimensională ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 4
1.1 Analiza influenței adaosului de sare asupra procesului de frământare folosind aparatură de
laborator simultan cu dispozitivul experimental ………………………….. ………………………….. ……………… 4
1.1.1 Considerații generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 4
1.1.2 Obiectivul determinărilor experimentale, descrierea instalației și a aparaturii utilizate
la efectuarea experimentelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 5
1.1.3 Rezultate și discuții ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 8
1.1.4 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 12
1.2 Analiza procesului de frământare a aluatului, folosind un program de simulare numerică
13
1.2.1 Considerații generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 13
1.2.2 Obiectivul determinărilor experimentale, descrierea instalației și a aparaturii utilizate
la efectuarea experimentelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 14
1.2.2.1 Etapa I. Simularea tridimensională 13
1.2.2.2 Rezultate și discuții obținute la etapa I 19
1.2.2.3 Etapa a II – a. Modelarea matematică a procesului de frământare 23
1.2.2.4 Rezultate și discuții la etapa a II – a 28
1.3 Calcul de amortizare a investiției ………………………….. ………………………….. ……………………….. 31
2. Concluzii generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 33
3. Contribuții personale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 37
4. Direcții viitoare de cercetare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 38
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 39

4

1. Cercetări experimentale privind dezvoltarea aluatului. Analiza influenței
adaosului de sare în aluat și evaluarea influenței brațului de frământare asupra
comportării aluatului, folosind simularea numerică tridimensională

Cercetările experimentale efectuate pentru elaborarea prezentei teze de doctorat au urmat
direc ții de cercetare pe multiple planuri, pentru evaluarea câtor mai multe aspecte legate de procesul
de frământare, atât tehnologice , cât și teh nice.
În contextul creării unei tranziții între metodele de determinare a caracteristicilor reologice
ale aluaturi lor din făină de grâu destinate panificației, efectuate cu aparatură de laborator și
aplicabilitatea informațiilor în mediul industrial, precum și în vederea atingerii obiectivului
principal al acestei lucrări, a fost dezvoltat și implementat un dispozitiv de control și optimizare a
procesului de frământare, aplicabil pentru procesele de frământare industriale.
Aplicabilitatea și posibilitatea implementării unui sistem conectat la consumul energetic al
frământătoarelor și care poate controla și optimiza p rocesul de frământare prin controlul timpului
de frământare, adăugarea unor ingrediente în timpul frământării și corectarea consistenței aluatului
în timpul procesului de frământare, au fost evaluate atât teoretic, cât și experimental.

1.1 Analiza influenț ei adaosului de sare asupra procesului de frământare folosind
aparatură de laborator simultan cu dispozitivul experimental

1.1.1 Considerații generale

Sarea exercită influențe multiple asupra microflorei și enzimelor din aluat, asupra
procesului de formare și fermentare a aluatului, asupra proprietăților fizice ale aluatului și asupra
calității pâinii.
Adăugarea sării la începutul frământării inhibă hidratarea moleculelor proteice și scade
capacitatea de hidratare a făinii, însă crește rezistența glutenului (moleculele de gluten devin mai
compacte). Are loc o acțiune de deshidratare a glutenului prin reducerea cantității de apă legată
osmotic, motiv pentru care glutenul devine mai compact, mai elastic, mai rezistent ș i cu o stabilitate
mai bună [1 ].
. De asemenea, sarea reduce activitatea proteolitică, crescând rezistența proteinelor la atacul acestor
enzime , în timp ce activitatea amilolitică este stimulată de domeniul de pH optim căpătat [2, 3].
Este un lucru cunoscut că pri n mărirea adao sului de s are din aluat de la 1,3…1,5% la
1,7…1,8%, crește timpul de formare a aluatului și scade înmuierea lui [2].
Testele efectuate anterior cu privire la influența adausului de sare în aluat, au evidențiat că
adăugarea sării în timpul frământării în loc de introducerea la început, permite creșterea capacității
de hidratare cu până la 1.5 procente, raportate la făină și chiar o creștere a stabilității aluatului față
de cel la care s -a adăugat sarea de la început.
În mediul industrial, nu se practică modific area cantității de sare adăugată în rețetă funcție
de calitatea făinii, dar se pot seta variabil pentru controlul procesului de frământare, cantitatea de
apă adăugată la făină, energia utilă introdusă în aluat și implicit, timpii de descărcare a sării pent ru
facilitarea dezvoltării optime a aluatului.
Sistemul de optimizare a procesului de frământare (SOPF), permite setarea energiei utile la
care să înceapă descărcarea sării, prin determinarea pe cale experimentală a parametrilor optimi de

5
dezvoltare a aluatului, funcție de specificul liniei de producție vizate și a făinurilor utilizate în
proces.

1.1.2 Obiectivul determinărilor experimentale, descrierea instalației și a aparaturii
utilizate la efectuarea experimentelor

Obiectivul determinărilor experimenta le constă în determinarea influenței adaosului de sare
în aluat, folosind aparatură de l aborator, în vederea comparării acestora cu datele experimentale
obținute cu sistemul de optimizare și control al procesului de frământare .
Astfel, d eterminările exper imentale pentru evaluarea calității făinii în procesul de
frământare au fost efectuate cu ajutorul unui farinograf Brabender, versiunea E, cu achiziția datelor
pe calculator, la Catedra de Sisteme Biotehnice din Universitatea Politehnica București . Pentru
experimentele de laborator efectuate, aparatul a fost setat la o turație de 63 rot/min. Farinograful
Brabender are o capacitate de 300 g de făină (450 -500 g aluat), iar temperatura apei din baia de
recirculare a fost menținută la 30+1șC. Metodolog ia experimentărilor este conformă cu metoda
AACC 54 –21, pe ntru experimente farinografice ș i cu metoda AACC 54 –50 pentru determinarea
capacității de absorbție a făinii ș i cu instrucțiunile din cartea tehnică a aparatului. Făina de grâu
FA-650 este o făină c u un conținut de cenușă de circa 0.65%, destinată, în spec ial, pentru produse
de panificaț ie, iar caracteristicile ei fizico – chimice sunt prezentate în tabelul 1.1. Această făină a
fost utilizată atât in experimentele industriale, cât și în experimentele de laborator.

Tabel 1.1 Caracteristicile fizico – chimice ale făinii utilizate în experimente
Făină albă, Băneasa, tip 650
Caracteristici Valori
Umiditate, % 12,1
Conținut de cenușă, % 0,65
Conținut de gluten umed, s.u 26,8
Ie, % 63
FN (Indice de cădere) 300
W (E -4J) 238
P/L 2.7

6
Fig. 1.1 Aparatura utilizată pentru efectuarea experimentelor: stânga – sistemul SOPF, versiunea portabilă;
dreapta – aparatul Brabender E300 și brațele de frământare

Farinograful Brabender este compus din: malaxor cu brațe sigma, biuretă, vas de preaplin,
conducte de recirculare a apei din pereții cuvei, sistem complex de antrenare și achiziție, capac,
buton de avarie, elemente de conectare la computer pentru achiziția de date în timp real.
Sistemul S OPF funcționează după schema lo gică prezentată în figura 1.2.

Fig. 1.2 Schema logică a sistemului de optimizare a procesului de frământare, conectat la malaxorul
industrial
Sistemul de optimizare și control al procesului de frământare, denumit “SOPF”, cupri nde o
unitate de achiziție și procesare date (11) care măsoară curentul prin intermediul unui traductor de
tensiune (10), consumat de motorul care antrenează brațul de frământare (4) și motorul care
antrenează cuva malaxorului (3), în vederea controlului p rocesului de frământare prin oprirea
malaxorului prin intermediul a două relee electrice (9). Acest dispozitiv determină consistența
aluatului și o afișează pe ecranul tactil (12) sub formă de diagramă și oprește malaxorul la atingerea
unei valori stabilit e ca fiind optimă, a energiei specifice cumulate în fiecare secundă introdusă în
aluat. Prin intermediul ecranului (12) operatorul poate să seteze rețeta de lucru care are în
componență: greutatea aluatului care urmează să fie frământată, valoarea energeti că introdusă în
aluat la care se oprește procesul de frământare, timpul minim de frământare și valoarea liniei de
siguranță la care procesul de frământare se oprește automat chiar dacă procesul de frământare nu
s-a terminat. La atingerea valorii energiei s pecifice introdusă în aluat cumulate în fiecare secundă,
setată în rețetă, SOPF oprește procesul de frământare doar dacă anterior consistența măsurată nu
atinge linia de siguranță (3).
Sistemul de optimizare a procesului de frământare permite setarea ener giei utile la care să
înceapă descărcarea sării, prin determinarea pe cale experimentală a parametrilor optimi de
dezvoltare a aluatului, funcție de specificul liniei de producție vizate și a făinurilor utilizate în
proces.
Sistemul acționează deschidere a a două clapete care au în interior sare în stare solidă, sau
poate acționa asupra a două electroventile dacă sarea se află sub formă de soluție salină. În ambele

7
variante, sistemul trimite un semnal electric de 24V care are rolul de a acționa automatizar ea
responsabilă cu descărcarea sării în formă solidă sau lichidă. Acest pas prezintă o importanță
deosebită în procesul de frământare, deoarece creșterea stabilității aluatului și reducerea gradului
de lipiciozitate a aluatului la o hidratare mai mare, sun t efecte dorite în orice proces industrial de
fabricație a pâinii prin creșterea domeniului de prelucrabilitate a aluatului în toate fazele procesului.
Pentru a se stabili momentul optim de descărcare a sării în aluat, întâi se observă diagrama
de frămân tare a aluatului descrisă de proces în timpul frământării, după care se alege energia
specifică introdusă în aluat la atingerea căreia se va descărca sarea. Trebuie menționat că fiecare
tip de frământător are o dezvoltare diferită a diagramei de frământare , prin urmare și momentul de
descărcare a sării va fi la momente diferite.
Energia specifică introdusă în aluat la care se face descărcarea sării este introdusă în rețeta
de fabricație a sistemului de optimizare a procesului de frământare, așa cum se poa te vedea în figura
1.3.

Fig. 1.3 Setarea energiei specifice la care se descarcă sarea, în rețeta de fabricație a sistemului

Dispozitivul cu clapetă pentru descărcarea sării este montat pe capacul cuvei malaxorului
și este acționată electric cu ajutorul unui servomotor controlat de unitatea de achiziție și procesare
date (PLC) integrată în sistemul SOPF.

8

Fig. 1.4 Dispozitiv cu clapetă pentru descărcare sare
1.1.3 Rezultate și discuții

Din testele efectuate în sistem industrial, a rezultat că gradul de stabilitate și consistența
aluatului s -au mărit, deoarece metoda utilizată îmbină cu succes efectul întârzierii sării în aluat cât
și hidratarea aluatului în trepte, fenomen ce are un efect benefic prin reinițierea procesului de
hidratare a aluatului atunc i când la nivel capilar, datorită dezvoltării mecanice, se redeschid
ramificații ale legăturilor glutenice care pot absorbi din nou o parte din apa adăugată, crescând
astfel procentul de apă legată în aluat, fără afectarea negativă a stabilității aluatului și a structurii
glutenice. În figurile 1.5, respectiv 1.6, se pot observa datele experimentale obținute, centralizate
cu ajutorul programului Excel.

Fig. 1.5 Diferența de consistență la sfârșitul procesului de frământare funcție de metoda de adăugare a sării
în aluat

9

Fig. 1.6 Valoarea consistenței la sfârșitul operației de frământare pentru :
sarea solidă adăugată în treapta a II –a de frământare, b) sarea solidă adăugată la începutul frământării, c)
Sarea lichidă adăugată în două trepte, la atingerea unor valori ale energiei specifice introduse în aluat
Simultan cu ana lizele farinografice au fost obținute și diagrame cu sistemul SOPF. Î n figura
1.7 se poate observa gradul de asemănare între diagrama obținută de farinograf atunci când sarea a
fost adău gată după 2 minute de frământare și diagrama obținută de sistemul d e optimizare a
procesului de frământare.

Fig. 1.7 Diagrame de dezvoltare a aluatului: stânga, dezvoltată de SOPF; dreapta, farinogramă

Curbele farinografice obținute în experimentele unde s -a întârziat sarea sunt prezentate î n
figurile de mai jos.

10

Fig. 1.8 Analiza efectuată de farinograf; sarea a fost adăugată după 2 minute de frământare

Fig. 1.9 Analiza efectuată de farinograf; sarea a fost adăugată după 1 minut de frământare

11

Fig. 1.10 Analiza efectuată de farinograf; sarea a fost adăugată de la î nceputul analizei

Din curbele prezentate în figurile 1.8, 1.9, 1,10 au fost extrase valorile parametrilor
farinografici pentru timpul de dezvoltare (min), stabilitate a (min), grad ul de î nmuiere (FU), și
capacitatea de absorbț ie apă (%), ale aluatului. Acestea pot fi observate în tabelul 1.1.

Tabel 1.1 Valorile obținute în urma efectuării analizelor farinografice
Parametru Sare din min = 0 Sare din min = 1 Sare din min = 2
Capacitate de hidratare , % 55,4 57,8 61
Timp de dezvoltare, min 0,9 1 1,9
Stabilitate, min 1,8 1,4 2,6
Grad de înmuiere , FU 107 138 105
Indice de calitate farinografic 13 14 29

525456586062
Sare din min = 0 Sare din min = 1 Sare din min = 2Capacitate de hidratare
indicată de farinograf , %
00.511.52
Sare din min = 0 Sare din min = 1 Sare din min = 2Timp de dezvoltare, min

12

Fig. 1.11 Diferențele între capacitatea de hidratare, timp de dezvoltare, respectiv timp de
stabilitate, indicate de farinograf pentru cele trei teste

Din analiza graficelor din figura 1.11 , se constată diferența mare î ntre rezu ltatele obținute
prin adăugarea sării de la începutul analizei și întârzierea acesteia c u un minut ș i respectiv 2 minute.
Analiza farinografică standard utilizează doar amestecul de făină și apă, iar în urma acesteia
rezultă o serie de indicații cu privire la calitatea făinii utilizate și răspunsul ei privind
prelucrabilitatea și cantitatea de apă ce poate fi adăugată la făină. Valoarea capacității de hidratare
recomandată de farinograf, este una teoretică și necesită adaptări pentru prelucrarea în flux
industrial. În industria de panificație, valoarea reală a cantității de apă ce poate fi ad ăugată la făina
prelucrată poartă denumirea de ”capacitate de hidratare tehnologică” și funcție de specificul
fluxului tehnologic adoptat, ea poate varia și cu 10 procente în minus.
Se poate observa că proba în care sarea a fost introdusă în timpul frămân tării are un salt
important de stabilitate , de aproximativ 32%, timpul de dezvoltare a crescut cu 53%, iar cantitatea
recomandată de apă , cu 5,6 %, față de proba în care sarea a fost introdusă de la începutul
frământării. În ceea ce privește puterea făinii , apreciată prin indicele farinografic FQN (Indicele de
calitate al făinii) , acesta crește nesemnificativ pentru proba la care sarea a fost întârziată doar un
minut, iar timpul de stabilitate s – a redus de la 1,8 minute la 1,4 minute, ceea ce duce la conc luzia
că alegerea momentului în care sarea este introdusă, prezintă o deosebită importanță, fenomen
aplicabil și în sistemele industriale. Legat de gradul de înmuiere, exprimat în UF, valoril e indicate
pentru experimentul î n care s – a întâ rziat adaosul de sare 2 minute , este aproximativ egală cu
celelalte , la finalul celor 20 de minute de frămâ ntare.

1.1.4 Concluzii

Corelațiile directe î ntre experimentel e obținute cu ajutorul farinograf ului și cele din mediul
industrial arată că întârzierea adaosului d e sare în aluat, determină o îmbunătățire a proprietăților
reologice ale aluatului, manifestată prin creșterea consistenței aluatului. Deși capacitatea de
hidratare tehnologică rămâne diferită de cea teoretică, indicată de farinograf, întârzierea adaosului
de sare într – un moment optim ales, din timpul frământării permite creșterea cantității de apă
adăugată la făină, fără a influența negativ proprietățile de prelucrabilitate ale aluatului. 00.511.522.53
Sare din min = 0 Sare din min = 1 Sare din min = 2Timp de stabilitate, min

13
Se poate conc luziona pe baza rezultatelor obț inute di n experiment ele ce au avut loc în
laborator și în mediul industrial că atunci când nu se adaugă sarea de la începutul frământă rii,
moleculele de făină se hidratează cu 1.5% dacă se folose ște un malaxor industrial și cu până la 6%
dacă se foloseș te un farinograf.

1.2 Analiza procesului de frământare a aluatului, folosind un program de simulare
numerică

1.2.1 Considerații generale

Aluatul este u n corp ne -newtonian cu proprietăți vâsco -elasto -plastice, al că rui
comport ament este deosebit de complex și care variază în funcț ie de o multitudine de factori.
În cazul aluatului, consistența este o proprietate de natură reolog ică complexă, care este
influențată direct de: vâs cozitate, umiditate, temperatură , timpul și proporția dintre fazele aluatului
(solid, lichid, gazos), de compoziția biochimică a făinii, a materialelor adăugate ș i de cantitatea de
energie consumată la frământare , [4].
În timpul frământării, datorită gradienților de viteză care iau naștere în masa aluatului,
acesta este supus la deformări extreme, multe dintre ele depăș ind limita de rupere [5] și care
influențează vâscozitatea ș i implicit , consistenț a aluatului. Numărul și viteza de formare a
legăturilor intermoleculare depind de intensitatea acțiunii de frământare, respectiv de cantitatea de
energie transmisă aluatului și de viteza cu care aceasta este trans misă. Astfel, dezvoltarea optimă,
incompletă sau excesivă a aluatului este direct influențată de frămâ ntare , [6].
Este bine documentat în literatura de specialitate că viteza cu care are loc dezvol tarea
diagramei de frămâ ntare are un efect dramatic asupra comportamentulu i reologic al aluaturilor din
făina de grâ u, [7]. Este foarte important de luat în considerare că aluaturile obținute la di ferite scă ri
de procesare (laborator, indu strial) vor avea proprietăți diferite. Același lucru poate fi aplicat și în
cazul aluaturilor obț inute folosind tipuri diferite de malaxoare. În consecință, proprietăț ile reologice
ale aluatu rilor obț inute vor fi d iferite.
În general, viteza braț ului de f rământare este cunoscută, dar configurațiile brațului ș i al
cuvei sunt foarte diferi te pentru tipuri diferite de frământătoare. Aceș ti factori vor conduce la o
dezvoltare diferită a proprietăților reologice ale alu atului în timpul frământă rii, deș i organele de
lucru au aceeași viteză. În termini reologici, frământătoarele aplică forț e de deformare diferite
asupra aluatului, forț e dependente de geometria cuvelor ș i a brațelor de frămâ ntare , [5].
Harazii și alții au studiat î n laborator folosind un mixograf și un farinograf , efectul diferit
asupra dezvoltă rii reologice ale aluatului pe care îl au acestea. Aceștia au concluzionat că
dezvoltarea reologică a aluatului este influențată direct de geo metria organelor de ame stecare și a
modului î n care este introdus ă energia specifică în aluat. Î n studiul lor, au pr ezentat rezultatele
diferite obținute cu cele două aparate de măsură î n laborator , folosind aceiaș i parametr i de lucru.
Dezvoltarea diferită a diagramei de consist ență măsurată de cele două aparate de labor ator relevă
importanț a pe ca re o au organele de amestecare și modul cum acestea influențează comportamentul
reologic și la frământă toarele industriale , [8].
Numeroase lucră ri [9, 10, 11] au analizat comportamentul reologic al aluatului folosi nd
reometrele cu care au măsurat vâ scozitatea aluatului , cât și modulul de înmagazinare a energiei, G
prim și cel de descărcare după fluaj, G secund. Cele mai fol osite reometre pentru studiul vâscozit ății
aluatului au fost cele rotaț ionale. Au mai fost folo site și vâ scozimetre cu cilindri concentrici cu
toate că sunt mai dificil de utilizat pentru sisteme atât de vâscoase cum este aluatul din făina de
grâu, deoarece necesită un efort considerabil pentr u a introduce aluatul în aparat pentru măsurare.
Din aceas tă cauză, unii cercetători [12], au modificat vâscozimetrul cu cilindri concentrici pentru

14
a putea măsura vâ scozitatea aluatului. Principiul a cestui aparat este acela de a mă sura momentul
de torsiun e al elementu lui de antrenare de unde rezultă o curbă de vâ scozitate a mostrei analizate.
Deși aluatul din făină de grâu reprezintă obiectul de studiu pentru mulți cercetători din
domeniul alimentar ș i nu numai la nivel mondial, iar cercetările în acest domeniu înregistrează
progrese vizibile, totuși , rămâ n destule întrebări legate de comportamentul aluatului și
determinanții proprietăților reologice ale acestuia.
Simularea tridimensională, alături de aplicarea modelării matematice și corelarea
măsură torilor experim entale pot conduce la o mai bună acuratețe în prezicerea comportă rii
reologice a aluatului.

1.2.2 Obiectivul determinărilor experimentale, descrierea instalației și a aparaturii
utilizate la efectuarea experimentelor

Obiectiv ele principale ale acestei lucră ri, sunt: a) de a demonstra in fluența geometriei
brațelor de frământare asupra dezvoltă rii reologice a alu atului; b) de a evalua distribuț ia vitezelor
de deformare a aluatu lui, folosind simularea numerică tridimensională a frământă rii; c) de a valida
un model matematic pentru calculul momentului de opunere la brațul de frământare, folosind
vâscozitatea aluatului.

1.2.2.1 Etapa I. Simularea tridimensională

Într-o primă etapă, se utilizează un program computaț ional de simulare tridimensională
ANSYS, a proces ului de frămâ ntare a aluatului și care urmează pașii din schema de mai jos.

15

Fig. 1.12 Etapele de efectuare a simulării numerice tridimensionale

Au fost proiectate două modele geometrice tridimensionale parametrizate ale malaxorului
cu braț dublu vertical și cuvă mobilă – model San Cassiano GDA 340 , într-un program de tip CAD
(Solid Works). Cele două modele prezintă organe de lucru cu formă geometrică diferită, așa cum
se poate observa î n figurile 1 .13 și 1.14. Aceste a au fost ulterior trans ferate î n preprocesorul de
pachete din programul ANSYS.

Fig.1 .13 Malaxor San Cassiano tip GDA 340 cu br ațe de frămâ ntare tip spiral (Dublu Spiral)

16

Fig.1.14 Malaxor San Cassiano tip GDA 340 cu brațe de frămâ ntare drepte (Hydra)

S-au aplicat apoi următoarele ipoteze cu ajutorul cărora modelul a fost rulat și î n final a fost
generat mode lul discre tizat: cuva este plină cu aluat; pentru treapta întâi, aluatul se află l a începutul
fazei de hidratare ș i pentru treapta a doua de viteză, aluatul se află la î nceputul perioadei de
stabilitate , după ce faza de hidratare s -a încheiat este considerat material in compresibil, ne –
newtonian. Plecâ nd d e la fenomenul deja cunoscut, că , pe perioada procesu lui de frămâ ntare,
aluatul își modifică în permanență vâscozitatea și că după înregistrarea unui punct de vâ scozitate
maxim, la continuarea frământării aceasta intră pe o pantă de coborâ re, modelul reologic u tilizat
pentru efectuarea simulă rii a fost cel al lui Carrea u-Yasuda. Funcția de vâ scozitat e a fluidelor, η a
fost modelată cu relaț ia constitutivă Carreau -Yasuda (cunoscută pentru capacitatea ei de a
reprezenta multiple comportamente de tip shear thinning – descreștere a vâscozității la continuarea
aplicării defor mărilor ).

𝜂(𝛾̇)−𝜂∞̇
𝜂0−𝜂∞=[1+(𝜆𝛾)̇𝑎]𝑛−1
𝑎 (1.1)

unde η este vâscozitatea dinamică , 𝜂0 – coeficientul de vâ scozitate zero, 𝜂∞ – coeficientul de
vâscozitate infinit, 𝜆 – timpul caracteristic, 𝛾̇ – viteza de forfecare, a – exponentul structural (a=2
pentru modelul Carreau) și n este indicele de curgere ( -1≤𝑛<1 pentru fluidul cu rată de
descreștere ), [13].
Vâscozitatea Eddy obținută la sfârșitul simulării ajută la interpretarea modului cum are loc
deplasarea straturilor î n interiorul volumului de aluat.
Conceptul de vâ scozitate Eddy se bazează pe raționamentul similitudinii, turbulența fiind
un concept fizic legat de vâscozitate. Se poate argumenta că, similar cu vâ scozitatea, turbulența
afectează procesele de disipare, difuzie și amestecare [14]. În ecuația Navier -Stokes termenul
vâscos este:

𝐷𝑣=𝛿
𝛿𝑥𝑗[𝜈(𝛿𝑈𝑖
𝛿𝑥𝑗)+(𝛿𝑈𝑗
𝛿𝑥𝑖)] (1.2)
unde: 𝛿= grosimea stratului limită , 𝜈= vâscozitatea cinematică , 𝑈𝑖,𝑈𝑗= tensorii de viteză ,
𝑥𝑗,𝑥𝑖= coordonate transversal e, [14].
În timpul frământării are loc hidratarea proteinelor glutenice; acestea se umflă și sub
influența acțiunii mecanice, se unesc și formează o rețea glutenică, vâscoelastică tridimensională.
Odată cu modificarea proprietățilo r reologice, aluatul trece prin patru faze: de hidratare, dezvoltare,
stabilitate și înmuiere. Stabilitatea este dată și de rezistența structurii rețelei glutenice, care supusă
unei acțiuni mecanice, își păstrează integritatea structurii și are un comporta ment constant.

17
Făinurile puternice au o stabilitate mai mare deoarece au proteine de bună calitate, care în
timpul frământării creează structuri glutenice cu o rezistență mărită la rupere. În practică un grad
mare de înmuiere este asociat cu o făină de sl abă calitate chiar dacă capacitatea de hidratare a făinii
este mare. Creșterea gradului de înmuiere este un indicator important al degradării proteolitice a
grâului.

Fig. 1.15 Diagramă de frământare , [15]

În această figură, porțiunea de curbă 1” reprezintă momentul la mersul în gol al
frământătorului, unde:
– momentele după introducerea făinii în cuva frământătorului sunt delimitate astfel:
– AB – momentul după introducerea apei și începutul procesului de hidratare a făinii,
– BC – moment ul în timpul procesului de frământare a aluatului (momentul maxim),
– CD – faza de înmuiere a aluatului dacă se prelungește frământarea.
– intervalele de timp caracteristice procesului sunt:
– Δt1 – perioada de formare a aluatului;
– Δt2 – perioada de stabilitate;
– Δt3 – perioada de înmuiere.
În procesele de frământare sunt folosite 2 trepte de viteză: pentru perioada de formare a
aluatului Δt1, așa cum se poate vedea î n fig ura 1.15, se folosește treapta 1 de viteză care are 90
rpm, iar pentru perioadele de stabilitate și înmuiere se foloseș te treapta a doua , care are 180 rpm.
În simularea pentru frământarea în treapta întâ i s – a ținut seama de următorii parametri:
– s-a considerat aluatul format din apă, făină și sare cu o greutate t otală egală cu 216 kg.
– simularea a fost efectuată la o valoare constantă a densității, ρ = 900 kg/ 𝑚3;
– s-a considerat temperatura aluatului de 28 șC, cu vâscozitatea dependentă de rata de
forfecare descrisă de ecuația (1.1) și vâscozitatea dinamică a aluatului de 25 Pa·s;
– viteza de rotație a brațului de frămâ ntare a fost setată la 90 rpm și viteza de rotație a cuvei
malaxorului la 15 rpm;
– volumul de aluat dezvoltat a fost împărțit într -o grilă computațională formată di ntr-o rețea
triunghiulară nestructurată cu un număr de noduri de 145210, număr de elemente – 644088 și număr
de fețe – 6103203.
Simulare a a durat 60 s, analizând câte 1.5 poziții ale brațului de frământare în interval de o
secundă. Rezultatele simulării se pot observa în figurile : 1.16 – 1.19.

18

Fig. 1.16 Vedere spațială a formării aluatului în primele 60 de secunde de frământare pentru braț ele drepte

Fig. 1.17 Vedere de sus a aluatului î n primele 60 de secunde de fr ământare pentru braț ele drepte

Atât în fig ura 1.17, cât și în figura 1.18, se poate observa că aluatul are încă de la început
tendinț a de a se strânge în jurul brațelor ; acestea sunt cele care îi imprimă mișcarea de rotație, iar
particulele de făină sunt puse în mișcare și forțate să se ames tece cu apa și să formeze conglomeră ri,
care la început sunt mai mici , dar care cresc î n diametru odată cu înaintarea procesului de
frămâ ntare , până se unesc și încep să formeze rețeaua spațială glutenică .

19

Fig. 1.18 Vedere spațială a formării aluatului în primele 60 de secunde de fr ământare pentru brațele spirale

Fig. 1.19 Vedere de sus a formării aluatului în primele 60 de secunde de frământare pentru braț ele spirale.

Figurile 1.18 și 1.19 sunt reprezentative pentru modul de amestecare a ingrediente lor,
folosind brațe de tip spiral. Viteza de antr enare a masei de făină amestecată cu apă, este mai mică
cu 40% decât la frământarea cu braț e drepte , ceea ce duce la o prel ungire a timpului de hidratare ș i
form are a aluatului. Aceste informaț ii sunt import ante deoarece , pentru a se stabili un timp optim
de frământare este important să se cunoască, atât timpul necesar frământării aluatului din treapta
întâi, cat și cel din treapta a do ua. Timpul optim de oprire a frământării din treapta întâi este la t1 ,
atunci când diagrama de frământare ajunge î n punctul B , (fig. 1.15).
În simularea pentru frământarea î n treapta a doua , care î ncepe de la perioada Δt2, așa cum
se poate vedea în figura 1.15, s – a ținut seama de următorii parametri:
– s-a considerat aluatul format din apă, fă ină și sare cu o greutate totală egală cu 216 kg.
– simularea a fost efectuată în condiț ii de stabilitate a aluatului (după formarea aluatului) la o
valoare constantă a densităț ii, ρ = 1200 kg/ 𝑚3,
– s-a considerat temperatura aluatului de 28 șC, cu vâscozitatea dependentă de rata de
forfecare descrisă de ecuația (1.1) și vâscozitatea dinamică a aluatului de 30 Pa·s, [16].

20
– viteza de rotație a brațului de frămâ ntare a fost setata la 180 rpm și viteza de rotație a cuvei
malaxorului la 30 rpm.
– volumul de aluat dezvoltat a fost împărțit într -o grilă computațională formată dintr -o rețea
triunghiulară nestructurată cu un număr de noduri de 145210 , număr de elemente – 644088 și număr
de fețe – 6103203.
Simularea a durat 300 s , analizând câte 3 poziț ii ale brațului de frământare în interval de o
secundă .

1.2.2.2 Rezultate și discuții obținute la etapa I

În Fig. 1.20 se poate observa dezvoltarea vâscozității Eddy în întreaga masă de aluat pentru
ambele geometrii ale brațelor de frământare, la 30 s, 150 s și 300 s.

Fig. 1.20 Vâscozitatea Eddy pentru cele două modele, la 30 s, 150 s și 300 s de frămâ ntare

Efectul de întindere și comprimare a aluatului este mai mare odată cu creșterea cantității de
aluat antrenat în procesul de malaxare. Valorile maxime ale vâscozității Eddy se înregistrează lângă
brațele de frământare, ele fiind mai mari pentru brațele drepte, așa cum se poate observa și în figura
1.20, deoarece suprafețele acestora antrenează mai multe straturi de aluat, ducând la creșterea forței
de frecare între ele.
Se mai poate observa că în cazul frământării cu braț ele spirale , la partea superioară se
micșorează contactul cu aluatul ; acest fapt se datorează mișcării de înșurubare a aluatului , în urma

21
căruia este ridicat până la un nivel și urmat d e împin gerea lui spre partea inferioară, odată cu
creșterea vâscozității, adică a consistenț ei, pe măsură ce aluatul se dezvoltă și se formează. La
brațele de frămâ ntare drepte , aluatul este antrenat direct într -o mișcare de rotație pe toată suprafața
lor, odată cu creșterea vâscozității fiind antrenată o cantitate din ce î n ce mai mare.
Diferenț a de vâscozitate î ntre cele două aluaturi fră mântate cu organe de amestecare diferite
din punct de vedere constructiv , este analizată în figura 1.21, unde se poate observa influența directă
a formei brațelor de frămâ ntare asupra mișcă rii de an trenare a straturilor de aluat î n interiorul
acestuia.
Brațele drepte dislocă și pun în mișcare o cantitate mai mare de aluat față de brațele spirale
și datorită acestui fapt, aluatul se adună în jurul acestora încă de la începutul fazei de dezvoltare a
aluatului În simularea frământării cu brațe drepte se poate observa uniformitatea pe etaje a
vectorului viteză pe care o are aluatul, diferită de distribuția vectorului viteză pe care o are în aluatul
frământat cu brațele spirale.

Fig. 1.21 Diferențe de dezvoltare a aluatului; simularea tridimensională a frământării folosind
două brațe diferite

Tot în figura 1.21 se pot vizualiza la ambele malaxoare , zone de forfecare intensă a
aluatului, datorită modului cum este antrenat acesta de către brațele de frământare. Analizând
rezultatele obținute , se observă că în zona centrală a cuvei frământătorului cu brațe spirale, viteza
atinge un maxim de 2,75 m/s pe o suprafață mult mai întinsă decât pe celelalte două etaje. La
malaxorul cu brațe drepte, viteza maximă de 4,71 m/s este atinsă de aluat în zona de contact cu
brațele de frământare, pe toată lungimea lor. Aceste măsurători au fost efectuate în secunda 150 de
simulare.
Vâscozitatea este dependentă direct de consistența aluatului, iar prin măsurarea acesteia se
poate obține o diagramă cu o dezvoltare similară cu cea a consistenței aluatului.
La intervalul de timp de 150 s, vâscozitatea maximă în anumite zone din aluatul frământat
cu brațele drepte ajunge să fie și de 3 ori mai mare decât vâscozitatea maximă obținută a aluatului
frământat cu brațe spirale, pentru aceiași parametri de lucru.
Brațele drepte formează mai repede rețeaua glutenică față de cele de tip spiral, deoarece
suprafața de contact între braț și aluatul antrenat de acesta este mai mare față de cea a brațului de
tip spiral.
Deși brațul de tip spiral are o suprafață desfășurată mai mare a brațului de frământare decât
în cazul brațului de tip drept, antrenează o cantitate mai mică de aluat, deoarece acesta face un
unghi de 45° față de peretele cuvei, unghi datorită căruia o parte din aluat alunecă pe brațul de
frământare, iar for ța de forfecare este mai mică .

22
Modul de amestecare a celor două tipuri de brațe frământă toare este diferit , de unde rezultă
obținerea unui comportament reologic diferit în timpul frământării. Înț elegerea c omportamentului
reologic, în funcț ie de forma org anelo r de amestecare a malaxoarelor poate fi de folos atunci când
se achiziționează un malaxor , deoarece se poate realiza o corelare corectă între tipurile de făinuri
utilizate în procesul de producț ie și funcț ionarea malaxorului.
Vâscozitatea se formează mai rapid la frământarea cu brațe drepte, dar ș i gradul de scădere
este ridicat, deoarece acestea introdu c o energie specifică î n aluat mai mare , într-un timp mai scurt ,
ceea ce duce la scăderea elasticităț ii aluatului , supus unor viteze de def ormare peste limita de
rezistență a rețelei glutenice. În tehnologia panificației, acest fenomen se numește î nmuiere.
Cu ajutorul programului Ansys se mai poate efectua o prognoză despre distribuția vitezei
de forfecare în interiorul fluidului studiat.
De o deosebită importanță este și legătura dintre forma brațului de frământare și viteza de
deformare. În figura 1.22 se poate vizualiza distribuția vitezei de deformare pentru cele 40365 de
noduri la începutul procesului de frământare, în secunda 30 și la sfâr șitul acestuia, în secunda 300,
pentru ambele tipuri de brațe.
Deformările care au loc, sunt diferite î n interiorul aluaturilor, atât datorită gradienților de
viteză diferiți între cele două modele de frământare, dar și între straturile aceluiași aluat. V alorile
gradienților de viteză sunt cu atât mai mari, cu cât se apropie de braț , acestea, imprimând straturilor ,
o mișcare relativă mai mare, unele față de celelalte.

a. b.
Fig. 1.22 Distribuția vitezelor de deformare î n secundele 3 0, respectiv 300: a) pentru brațul dublu spiral și
b) pentru braț ul dublu drept

Viteza de deformare scade foarte puțin la sfârșitul procesului de frământare pentru brațele
spirale ș i mai mult pentru cele drepte , care au în unele porț iuni, o înjumătăț ire a valorii acesteia.
De asemenea, la frământătorul cu braț ele spirale , comparativ cu cele drepte, s -a pă strat o
uniformitate mai mare a vitezei de forfecare.

23
În figura 1.23 se poate observa deplasarea masei de aluat, odată cu creșterea vâscozității,
atât pentru brațele drepte, cât și pentru cele spirale, la începutul frământării și la finalul ei.

Fig. 1.23 Deplasarea masei de aluat odată cu creșterea vâscozităț ii

Se poate observa că distribuțiile vitezei straturilor de aluat în cuva malaxorului su nt
asimetrice și aluatul curge prin regiunile libere dintre cele două brațe și pereț ii cuvei. Se mai poate
observa că odată cu creșterea vâscozităț ii, aluatul începe să se adune în jurul braț ului, feno menul
fiind reversibil atunci când vâscozitatea scade; la sfârșitul frământării al uatul are tendința de cădere
de pe brațele de frămâ ntare.
În figurile 1.24 și 1.25 se poate vedea influența pe care o are frământarea asupra dezvoltării
rețelelor glutenice, atât la frământătorul cu brațe drepte, cât și la cel cu brațe spirale.

Fig. 1.24 Dezvoltarea aluatului frământat cu brațele drepte

24
În simularea numerică în care s -a folosit geometria frământă torului cu b rațe drepte , se poate
observa că rețeaua glutenică începe să se formeze în jurul brațelor de frămâ ntare , deoarece î n aceste
zone energia transmisă aluatului este mai mare . Se poate observa dezvoltarea aluatului până în
secunda 240, unde înălțimea aluatului atinge un maxim. După această valoare, înălțimea descrește
gradual, datorită scăderii accelerate a vâscozității și implicit a rezistenței aluatului (înmuiere),
deoarece s -a depășit perioada de stabilitate a rețelei glutenice, proprietățile acesteia înrăutățindu -se
din ce în ce mai mult până la sfârșitul timpului de frământare, în secunda 600.

Fig. 1.25 Dezvoltarea aluatului frământat cu brațele spirale

În figura 1.25 se poate observa cum dezvoltarea aluatului are loc gradual și constant până
în secunda 360, marcată de strângerea masivă a aluatului în jurul brațelor de frământare. După acest
timp, s e înregistrează scăd erea vâ scozității. Aluatul tinde să ocupe volumul pus la dispoziție de
cuvă. iar rezis tența aluatului la brațele de frământare î nregistrează o scădere accelerată.
Rezultatele obținute în urma simulării of eră posibilitatea estimării forței de opunere la
brațele de frămâ ntare, permițând astfel evalua rea consumului de energie. Se poate astfel determina ,
momentul la care aluatul prezintă structura de dezvoltare optimă . Compo rtamentul diferit al
dezvoltă rii aluatului datora t geometriei pe care o au cele două brațe de frământare confirmă
rezultatele obținute la măsurătorile industriale î n timp real. Co nform rezultatului simulării,
vâscozitatea este mai ridicată pentru aluatul fră mântat cu brațele drepte față de cel frământat cu
brațele spir ale, similar diagramelor de momente obținute prin achiziția de date efectuată cu SOPF.

1.2.2.3 Etapa a II – a. Modelarea matematică a procesului de frământare

Vâscozitatea Eddy obținută î n simularea tridimensională (fig. 1.20 ) pentru cele două forme
geometrice ale brațelor de frământare a fost introdusă î ntr-un model matematic cu scopul de a
determ ina momentul de torsiune la brațele de frămâ ntare ale malaxorului.
Modelul matematic are la bază formulele de calcul care se folosesc pentru determinarea
vâscozității cu un vâscozimetru rotativ cu cilindri coaxiali , [17] așa cum se poate observa î n figura
1.26.

25

Fig. 1.26 Vâscozimetru Brookfield: 1. Carcasă , 2. Ecran, 3. Braț telescopic, 4. Braț rotativ, 5.
Cilindru exterior, 6. Cilindru interior

Brațele de malaxare, atât cele spirale, cât ș i cele drepte au o mișcare de rotație în jurul axelor
verticale proprii, în interiorul cuvei malaxorului, într -o orientare verticală, întreg ansamblul fiind
amplasat într -un sistem cartezian tridimensional. Cuva se rot ește în jurul axei sale în sens invers
brațelor de frămâ ntare.
Viteza de rotație a braț elor de malaxare este de 3 revoluții pe secundă în interiorul cuvei,
adică ajung de 3 ori într -un punct de maximă apropiere față de peretele cuvei. În această poziție,
momentul de opunere la brațul de frămâ ntare a aluatului este maxim, iar modelul matematic es te
aplicabil doar pentru această situaț ie.
Vâscozimetrul rotativ c u cilindri concentrici determină vâscozitatea prin mă surare a
momentului de torsiune la braț ul rotativ , acesta fiind variabil și direct proporțional cu modificarea
forței de opunere a materialu lui studiat. Pentru a calcula vâ scozitatea , vâscozimetrul folosește
parametrii constanț i de mai jos ș i anume: raza de la centrul cilindrului rotativ până la peretele
cilindrului exterior (Rc), raza cilindrului rotativ (Rb), lungimea cilindrului rotativ (L) și viteza
unghiulară (ω) pe care o are acesta , așa cum se poate vedea î n figura de mai jos.

Fig. 1.27 Geometria vâscozimetrului rotativ

26

Fig. 1.28 Echipamentele utilizate pentru colectarea datelor experimentale

Sistemul SOPF măsoară intensitatea curentului electric consumat de brațul frământătorului.
Următorii parametri sunt considerați constanți: tensiunea U = 400 V, factorul de putere, cos Φ =
0,8, iar numărul de rotații ale brațelor de frământare este măsurat cu ajutorul unui senzor cu
fotocelulă. Înainte de calcularea momentului de opunere la brațul de frământare, curentul co nsumat
la mersul în gol este măs urat și eliminat.

𝑀=𝑃/𝜔 (1.3)

𝑀=𝑀𝑡−𝑀𝑔 (1.4),

unde: M este momentul de opunere la brațul de frământare, P este puterea electrică consumată de
motorul de antrenare, ω este viteza unghiulară a brațului de frământare, 𝑀𝑡 – momentul total
calculat prin măsurarea intensității consumate de motorul brațului de frământare în timpul malaxării
aluatului, iar 𝑀𝑔 – momentul de mers în gol calculat prin măsurarea intensității consumate de
motorul brațului de frământare.
În fig. 1 .29 este reprezentată geometria brațelor de frământare, î n care 𝑟2 este distanța de la
centrul de rotație a brațului de frământare și până la cuvă ș i 𝑟1 este raza la c are momentul de torsiune
al brațului de frământare este mă surat.

27
–
a. b.
Fig. 1.29 Geometri a brațelor de frămâ ntare: a. de tip spiral, b. de tip drept

Pentru brațul de frământare există valorile: 𝑟1 =0,24m; 𝑟2 =0,25m; h = 0.5m; 𝜔𝑟1=18.84
𝑟𝑎𝑑𝑠⁄ ; 𝜔𝑟2=18.84 𝑟𝑎𝑑𝑠⁄ ; 𝜔𝑏=2,09 𝑟𝑎𝑑𝑠⁄, iar în cazul brațului de tip spiral, mai există un unghi
𝛼=cos(45°)=0,525 care reprezintă î nclinarea brațului față de cuvă .
Raportul dintre forț a de forfecare și viteza de forfecare la fluidele non -newtoniene nu este
liniar, iar vâ scozitatea se mod ifică cu viteza de forfecare. Vâ scozitatea este definită de relația dintre
tensiunea de forf ecare și viteza de forfecare [17 ], așa cum se poate vedea în relaț ia (1.5 ):

η = τ
γ (1.5)

Expresia matematică pentru forț a de forfe care este:
τ = 𝑇
2𝜋𝑟12ℎ (1.6)
unde : r reprezintă raza la c are momentul de torsiune al brațului de frământare este mă surat, T este
momentul de torsiune și h adâncimea de pătrundere a brațului î n aluat, [17 ].
Pentru a afla viteza de forfecare se folosește formula ( 1.7):

γ = 𝜔𝑟𝑟̅
𝑟2−𝑟1 (1.7)
unde 𝜔𝑟 reprezintă viteza unghiulară a brațului de frămâ ntare, 𝑟̅ este raza medie dintre 𝑟2 și 𝑟1
[17].
La vâscozimetrul cu cilindri coaxiali, forțele vâscoase din interiorul fluidului conduc la o
forță de forfecare care este măsurată cu un traductor de moment legat de cilindrul static interior,
[18] Momentul rezistent la brațul frământă torului, împreună cu viteza de rotație, permit măsurarea
vâscozităț ii din interiorul materialului supus analizei.
Vâscozitatea pentru materiale newtoniene se poate calcula cu formula :

η = 𝑇
4𝜋ℎ𝜔(1
𝑟22− 1
𝑟22 ) (1.8)

28

Ecuația (1.8 ) mai este cunoscută ș i ca ecuația Ma rgules, aceasta fiind valabilă î n general
pentru fluidele Newtonie ne [18]. Pentr u fluidele ne – newtoniene se măsoară tensiunea de forfecare
sau viteza de fo rfecare deoarece acestea variază în timp. Curba generată de variația vâscozităț ii
poate f i redată de raportul dintre tensiunea de forfecare ș i viteza de forfecare [17].
Pentru a putea folosi relațiile de mai sus a fost introdusă noțiunea de rază reprezentativă
𝑅𝑟 care ține seama de geometria brațului de frământare ș i a cuvei, fiind locali zată pe zonele de
contact (zonele de cea mai mică apropiere) ale cuvei și ale brațului de frământare și se calculează
cu formula:
𝑅𝑟=𝑅1{(2𝛽2)
(1+𝛽2)}12⁄
= 𝑅2{(2𝛽2)
(1+𝛽2)}12⁄
(1.9)

unde: 𝛽= 𝑟2𝑟1⁄= 0,26
0,25=0,065 𝑚.
Deoarece atât în simulare, cât și î n experimente efectuate ulterior, cuva are mișcare de
rotație, se poate calcula viteza unghiulară rezultantă : ω= ω𝑏−ω𝑟. Viteza de rotație pentru braț
este de 180 rpm ș i a cuvei de 2 0 rpm, pentru ambele malaxoare este: 𝜔=16.74 𝑟𝑎𝑑/𝑠 .
Deoarece viteza de forfecare la raza reprezentativă 𝑅𝑟 este independentă de tip ul de fluid,
rata reprezentativă de forfec are este c alculată cu relaț ia (1.10 ):
𝛾̇𝑅= 𝜔 {[𝛽2+1]
[𝛽2−1]} (1.10 )

Relația de vâscozitate în care se introduce raza reprezentativă, dacă se împarte ecuația 1.6
la ecuația 1.10, devine:

η = 𝜂𝑟= τ𝑟
𝛾̇𝑟= 𝑇
𝜔(𝛽2−1
4𝜋𝛽2𝑟12ℎ) (1.11)

Din relațiile (1.6), (1.7) ș i (1.9 ) rezultă o ecuaț ie din care se poate c alcula momentul de
torsiune dacă se cunoaște vâscozitatea dinamică , [19].
Pentru calcularea momentului rezistent la brațele de frământare drepte se aplică următorul
model matematic:
𝑀= 𝜔𝜂
(𝛽2−1
4𝜋𝛽2𝑟12ℎ) (1.12)

Pentru calcula rea momentului rezistent la brațele de frământare spirale se aplică următorul
model matematic:

𝑀= 𝜔𝜂
(𝛽2−1
4𝜋𝛽2𝑟12ℎcos 45°) (1.13 )

unde: ω = 16.74 𝑟𝑎𝑑𝑠⁄, 𝑟1=0,24 𝑚, β = 1,083 m, h = 0.5m ș i η = 𝑁𝑠
𝑚2⁄,cu ajutorul
cărora se poate descrie curba dinamică de dezvoltare a moment ului de rezistență a aluatului la brațul
de frământare. Geometria folosită pentru modelarea matematică a malaxă rii poate fi observată î n
figura 1.29.

1.2.2.4 Rezultate și discuții la etapa a II – a

29
În tabelul 1 .2 sunt prezenta te 20 de valori luate din 15 s î n 15 s , din rezultatele obținute î n
simularea 3D, introduse ulterior î n modelul matematic propus, pentru aflarea mom entelor rezistente
ale celor două tipuri de frământătoare.

Tabelul 1.2: Valorile vâscozităților rezultate în simularea 3D, folosite pentru calcularea momentelor
rezistente ale celor două tipuri de frământătoare și compararea rezultatelor cu cel e obținute de sistemul
SOPF
Timp
[s] Vâscozitatea
Braț e Spirale
η [Pa·s] Moment
Braț e Spirale
CFD [N·m] Moment
Braț e Spirale
SOPF [N·m] Vâscozitatea
Braț e Drepte
η [Pa·s] Moment
Braț e
Drepte
CFD [N·m] Moment
Braț e
Drepte
SOPF [N·m]
15 2.97 129.27 99.00 6.00 261.14 55.00
30 11.19 486.90 365.00 16.67 725.55 410.00
45 13.86 603.24 455.00 17.20 748.61 820.00
60 19.70 857.47 980.00 18.30 796.49 1105.00
75 22.67 986.73 1060.00 18.70 813.90 1210.00
90 24.00 1044.47 1100.00 22.40 974.94 1315.00
105 24.75 1077.22 1150.00 23.10 1005.40 1410.00
120 25.54 1111.69 1175.00 27.70 1205.61 1630.00
135 26.14 1137.54 1188.00 34.00 1479.82 1720.00
150 26.63 1159.09 1173.00 41.52 1807.12 1760.00
165 26.33 1146.16 1158.00 40.40 1758.37 1700.00
180 25.74 1120.31 1120.00 39.60 1723.55 1650.00
195 24.55 1068.60 1072.00 37.80 1645.21 1645.21
210 24.16 1051.37 1070.00 33.40 1453.70 1550.00
225 23.72 1032.22 1063.00 29.30 1275.25 1435.00
240 23.76 1034.13 1055.00 27.30 1188.21 1324.00
255 23.76 1034.13 1035.00 26.20 1140.33 1246.00
270 23.58 1026.47 1020.00 24.30 1057.63 1232.00
285 23.36 1016.89 960.00 23.70 1031.52 1170.00
300 23.32 1014.98 945.00 22.49 978.85 1078.00

Aplicând modelul matematic din relațiile 1.12, respectiv 1.13, în care se introduc valorile
vâscozităț ii Eddy rezultate din simularea 3D a aluatului din figura 1.21, s-a obținut suma celor două
momente de torsiune ale brațelor de frămâ ntare , atât pentru brațele spirale, cât ș i pent ru cele drepte.
În tabelul 1 .2, mai sunt prezentate și momentele de torsiune mă surate de sistemul de monitorizare
a aluatului SOPF , pentru ambele brațe de frămâ ntare.
Diagramele de variație a momentelor obț inute , se pot vedea î n figura 1.30 a și b.
În analiza datelor prezentate în tabel se pot formula următoarele observații : odată cu
creșterea vâscozității crește și momentul de torsiune la brațul de frămâ ntare; vâscozitatea aluatului
crește ș i scade mai repede la aluaturile frământate cu braț ele drepte , iar din aceas tă cauză, timpul
de frăm ântare pentru aceeaș i rețetă de fabricaț ie prelucrată în condiț ii identice scade cu 30%.

30

Fig. 1.30 Diagramele variaț iei de momen t pentru cele două frământă toare

Se constată că diagrama de moment dezvoltată în malaxorul cu brațele de frământare drepte
are o valoare mai mare față de diagrama dezvoltată în malaxorul cu brațe spirale. Acest fapt se
datorează energiei specifice introduse în aluat într -o unitate de timp mai mică, energie transferată
aluatului prin modul de amestecare cu cele două brațe de frământare.
Circa 70% din frământătoarele existente î n indu stria de panificație mondială sunt de tipul
malaxorului cu braț de frământare vertical spiral .
De o deosebită importanță este forma pe care o are brațul de frămâ ntare vertica l deoa rece
geometria acestuia poate să influenț eze direct dezvoltarea și comportarea reologică a aluatului ș i
indirect calitatea întregului proces de producț ie. Rezu ltatele obținute de simularea 3D și modelul
matematic propus î n lucrare sunt similare celor obținute prin mijloace de măsurare experimentale ,
așa cum se poate obs erva î n tabelul 1. 2.
Cu cât este antrenată o masă mai mare de aluat de către brațele de frământare în mișcarea
lor de rotaț ie, cu atât gradienții de viteză sunt mai mari , așa cum se po ate vedea î n figurile 1.22 și
1.23.
Frământarea cu brațele drepte duce la deformări și la desfaceri mai pronunțate a proteinelor
globulare î n aluat , obținând un număr mai mare de legă turi interm oleculare care ulterior determină
creșterea forței de opunere la brațele de frămâ ntare , interpretată ca o creștere a consistenț ei
aluatului. Acest fenomen are loc până într – un punct critic, urmat de o perioadă de stabilitate,
având loc apoi, o descreștere graduală a vâscozității aluatului, numită în tehnologia panificației
drept grad de înmuiere și lipiciozitate.
Procesul de frămâ ntare se poate optimiz a prin controlul timpului de frămâ ntare care poate
fi estimat din interpretarea modelului matematic și care folosește drept referință principală,
geometria brațul ui de frământare și a dimensiunilor cuvei .
Analiza malaxării aluatului prin m etode de simulare numerică ș i modelul matematic propus
evidențiază faptul că este posibilă estimarea influenței pe care o are geometria braț elor de
frământare asupra comportării reologice, cinematice și dinamice a aluatului în timpul procesului
de frămâ ntare.
Aceste rezultate pot ajuta la reproiectarea organelor de amestecare care pot fi probate î n
cadrul unei simulări 3D. Modelul m atematic propus poate ajuta la înțelegerea proc esului de

31
frămâ ntare prin anticiparea unui anumit comportament reologic al al uatului în funcție de geometria
brațelor de frămâ ntare , în vederea optimizării procesului de frămâ ntare la instalarea sistemului de
monitorizare SOPF.

1.3 Calcul de amortizare a inv estiției

Pentru c alculul de amortizare a investiției au fost comparate rețetele din tabelul 1.3 ,cu 52
de litri de apă adăugată la 100 de kilograme de făină , respectiv 55 de litri de apă adăugată la 100
de kilograme de făină, cu mențiunea că hidratarea de 52% are cea mai mare pondere de utilizare în
fabricile de panificație din țară . Calculele au fost adaptat e pentru o medie a bucății de aluat de 358
de grame . Se poate observa că prin adăugarea a 3 litri în plus de apă la fiecare 100 de Kg de făină,
se obține o diferență cantitativă de aluat de 22.8 Kg , echivalentă cu 64 de bucăți de produs finit la
fiecare tonă de produs finit. Datorită faptului că toate ingr edientele se raportează la făină î n
procente , aluatul care are în componență 3% apă , nu solicită cost suplimentar pentru restul
ingredientelor, ci doar pentru costul apei pe metrul cub.

Tabel 1.3 Calculație de cost pentru materiile prime și auxiliare folosite la 52% și 55% hidratare
Rețetă LEI/KG CONSUM/
TONĂ, 0.52% CONSUM/
TONĂ + DIF
BUC, 0.55% Ron/
TONA
0.52% Ron/
TONA
0.55%
Faină tip 650 [Kg] 1 760.0 760.0 760.0 760.0
Drojdie [Kg] 2.5 24.0 24.0 60.0 60.0
Sare [Kg] 0.6 13.9 13.9 8.3 8.3
Ameliorator [Kg] 13 2.9 2.9 37.7 37.7
Total masă uscată [Kg] 0.0033 395.2 418.0 1.3 1.4
Apă [L] 1196.0 1218.8
Total aluat [Kg] 0.358 0.358
Greutate semifabricat [Kg] 3333.0
Număr bucăți cu 0.52% apă 3397.0
Număr bucăți cu 0.55% apă
867.3 867.4
Cost total materiale [Ron] 867.3 851.0

În fabricil e de panificaț ie, de o deosebită importanță este verificarea și posibilitatea
măsură rii cantitative a stocurilor de materiale î n oric e moment al ciclului de fabricație. Pentru a
face aceste măsură tori, în primul râ nd es te important să se mă soare consumul specific de materiale
pentru fiecare rețetă î n parte, iar în al d oilea rând să se cunoască totalitatea consumurilor directe
alături de cele cu materialele, alcă tuite din consum urile energetice ș i cele legate de manopera
efect uată de oamenii din procesul de producție. În afară de aceste costuri , există ș i costurile
indir ecte, în componența cărora se regă sesc costuri legate de combustibili, personal tesa
(administrativ), cheltuieli de marketing și vânză ri sau alte tipuri de costuri. Pentru calcularea
acestora se face o medie din cheltuielile indirecte din ultimele 12 luni și se împarte la numă rul
tonelor de produs finit fabricate într -o lună; suma rezultată se adaugă la con sumurile directe pentru
a se obține un cost per tonă de produs finit ș i indirect pentru fiecare bucată î n parte , așa cum se
poate observa și în tabelul 1 .4.

32
Tabelul 1.4 Cheltuielile directe ș i indirecte pentru producerea sortimentului de pâine la hidratări diferite
Cheltuieli directe și indirecte 0.52% 0.55%
Energie [Ron] 39.9 39.9
Gaze [Ron] 182 182
Apă [Ron] 1.2 1.4
Manoperă [Ron] 146.3 146.3
Cost cheltuieli directe/tonă 1236.7 1220.6
Cost cheltuieli indirecte/tonă 320 320
Cost total cheltuieli directe și indirecte/tonă 1556.7 1540.6
Cost total per bucată 0.467 0.462

Costul unei instalaț ii de optimizare a procesului de frământare este de 9 0000 Ron. Această
instalație are în componență : sistemul SOPF, un sistem de descărcare automată a să rii com andat de
SOPF, un dozator de apă comandat de SOPF, senzor de mă surare a curentului consumat de motorul
de antrenare a malaxorulu i și senzor de mă surare a turației brațului de frămâ ntare. Pentru a calc ula
amortizarea acestei investiții s -a luat în calcul o medie de apă adăugată de 3%, cantitate raportată
la făina din reț eta de fabricație . S-a mai lua t în considerare că linia pe care este montat SOPF
funcționează 16,66 ore pe zi cu o capacitate de producție de 3000 buc/h totalizând un numă r de
50000 buc/zi echivalen t cu 15 tone de produs finit obținut î ntr-o zi. Pentru a produce această
cantitate se ob ține un cost de producție de 23350,6 Ron/zi pent ru aluatul cu 52% apă și 23109,6
Ron/zi pentru aluatul cu 55% apă. Diferența de cost este de 241 Ron/zi sau de 7230 Ron/lună, de
unde rezultă că pentru a amortiza complet investiția făcută î n achiziția sistem ului SOPF , este nevoie
de o perioadă de 12.45 luni.

Tabel 1.5 Calculul de amortizare a investiției
Calcul de amortizare a investiției 0.52% 0.55%
Cost producție 12 tone / 24h cu 0.52% apă 23350.562
Cost producție 12 tone / 24h cu 0.55% apă 23109.568
Cost Ron/ lună cu 52% apă 700516.87
Cost Ron/ lună cu 55% apă 693287.03
Diferență cost Ron/luna între 55% și 52% 7229.8
Cost SOPF, Ron 90000
Durată amortizare, luni 12.45

În calculul de amortizare s -a luat în considerare doar creșterea apei adăugate la făină cu 3%,
însă în afară de acest beneficiu mai pot fi luate î n calcul : scăderea cantității de rebut deoarece după
montarea lui SOPF tot procesul tehnolo gic devine mult mai stabil, crește rea calității produselor
datorită prospeț imii mai mari cu 30% a acestora î n timp , ceea ce duce la o creștere a vânză rilor,
folosirea unui personal mai puțin calificat î n zona de malaxare (scade costul manoperei ), scă derea
consumului de curen t electric deoa rece sistemul frământă cu până la 30% mai puțin decâ t un
malaxor uzual, oprind malaxarea atunci câ nd aluatul este dezvoltat optim. Sistemul d e optimizare
a procesului de frămâ ntare SOPF scade costurile de exploatare și îmbunătățește calitatea produsului
finit obținut la sfârșitul procesului de producț ie.

33
2. Concluzii generale

Făina de grâu reprezintă materia primă de bază folosită pentru prepararea majorității
produselor de panificație. Proprietățile fizice și chimice ale făinii variază în limite mari funcție de
o multitudine de factori, precum: soiul de grâu, condițiile de cultivare, de procesare în moară
(amprenta sistemului de măcinare, granulozitate, aditivare), de păstrare, gradul de extracție, din
care derivă conținutul chimic și implicit comporta mentul aluatului în timpul procesului de
fabricație.
Aluatul este considerat un sistem complex ne –newtonian cu proprietăți vâsco – elasto –
plastice în permanentă schimbare și de aceea este foarte dificil de controlat, dar și de modelat
matematic.
Propr ietatea reologică cea mai importantă a aluatului poartă denumirea de consistență în
tehnologie și poate fi definită ca rezultatul îmbinării vâscozității, elasticității și plasticității, derivate
din compoziția biochimică a făinii, cantitatea de apă introdu să în aluat, raportată la făină, parametrii
acțiunii de frământare, rețeta utilizată, tipul de frământare (lent, intensiv), construcția utilajului ș.a.
Chiar și o diferență minoră în construcția malaxorului, va conduce la o dezvoltare diferită a
aluatului.
Procesul de frământare a aluatului reprezintă acțiunea mecanică de forfecare, întindere și
presiune, efectuată cu organe speciale de frământare numite generic malaxoare, prin care
ingredientele sunt amestecate, componenții făinii se hidratează și se form ează o masă omogenă cu
proprietăți reologice specifice.
De o deosebită importanță este energia specifică introdusă în aluat și viteza cu care este ea
introdusă, întrucât aceasta are implicații directe în modalitatea de dezvoltare a aluatului și
comportam entul lui pe parcursul procesului tehnologic. E nergia introdusă în aluat nu trebuie să fie
mai mare decât limita critică de energie de care are nevoie aluatul pentru a se dezvolta optim.
Dezvoltarea aluatului este direct corelată cu glutenul, format în timpul frământării din
substanțele proteice ale făinii (glutenina și gliadina), în contact cu apa și sub acțiunea de frământare
și care poate fi definit ca o rețea macromoleculară alcătuită din pelicule cu proprietăți elastice și
extensibile, care îmbracă celelalte particule din făină și înglobează molecule de aer în timpul
frământării.
Așadar, cerințele frământării pot fi exprimate astfel: să disperse uniform ingredientele din
rețetă ; să a sigure suport suplimentar în dizolvarea și hidratarea ingredientelor, în special a
proteinelor din făină; să introducă energie la dezvoltarea glutenului (a proteinei hidratate) în aluat;
să încorporeze molecule de aer în aluat pentru a forma nuclee de gaz ce permit prinderea dioxidului
de carbon generat din fermentarea drojdiilor și oxigen pentru oxidare și activitate a drojdiilor; să
ofere un aluat dezvoltat corespunzător pentru a putea fi procesat mai departe.
Testarea făinurilor și determinarea propriet ăților reologice ale aluatului, în laborator, se
realizează cu o serie de aparate, dintre acestea, farinograful și alveograful fiind cele mai utilizate.
Farinograful oferă informații despre comportarea la malaxare a aluatului ce pot fi corelate
cu determi narea timpului de frământare în sistemul industrial, iar farinograful oferă informații cu
privire la comportarea la întindere a aluatului, putând fi corelate cu comportamentul aluatului în
timpul fermentării.
Pentru descrierea detaliată a proprietăților fizice și reologice ale aluatului, se poate utiliza
și reometria de bază, care supune aluatul unui domeniu variat de forțe și deformări.
Din cauza complexității reologice a aluatului a comportamentului său neliniar și a
modificării permanente de structură , modelele reologice simple și complexe existente până la
momentul actual, nu pot surprinde toate aspectele ce definesc aluatul. De asemenea, datorită

34
complexității relațiilor matematice ce construiesc aceste modele, sunt foarte dificil de verificat prin
determinări experimentale.
Deoarece cu aparatura de laborator se pot efectua teste doar în condiții standard, acestea nu
reflectă în totalitate comportamentul aluatului în fluxul tehnologic, fiind necesare teste
suplimentare și ajustări în unitățile indivi duale de producție.
Este importantă posibilitatea de a măsura și controla energia introdusă în aluat la malaxare,
deoarece prin această acțiune se pot obține produse finite de o mai bună calitate și totodată, o
constanță în calitatea acestora.
La momentu l actual, optimizarea frământării aluatului în fabricile de panificație, se bazează
încă pe experiența frământătorului și mai puțin pe date științifice, fapt care duce la o inconsistență
în procesul de fabricație a pâinii și nu numai.
Cele mai cunoscute procese de măsurare, ce pot fi aplicate la nivel industrial, sunt cele ale
momentului de torsiune și puterea consumată la motor a frământătorului, ambele fiind bazate pe
schimbările fizice ale proprietăților aluatului.
Posibilitatea de a verifica și contr ola procesul de frământare, cu ajutorul unei reprezentări
grafice a acestuia, aduce vizibile beneficii asupra întregului flux tehnologic, calității produselor
finite și implicit, a beneficiilor economice.
În încercarea de a întâmpina necesitatea unui mai bun control al procesului de frământare,
s-a creat un stand experimental alcătuit dintr – un aparat de măsurare a intensității curentului
electric consumat de motoarele diferitelor malaxoare industriale și o placă de achiziții date (tip
Supco), care descar că informația în timp real pe un calculator. Datele experimentale au fost
prelucrate cu un program de prelucrare numerică din pachetul Microsoft Office (Excel). Astfel, s –
au obținut diferite diagrame de frământare.
S-a studiat posibilitatea unei corelăr i între măsurătorile făcute pe un farinograf Brabender
în laborator și măsurătorile făcute pe un malaxor utilizat într -o fabrică de panificație, la care a fost
conectat aparatul de măsură și achiziție date. În cadrul cercetărilor experimentale au fost anal izate
2 tipuri de făină FA -650 provenite de la 2 mori diferite.
În urma efectuării acestui experiment, s – au constatat următoarele:
– Diagramele obținute pe un frământător industrial sunt diferite față de cele de pe farinograful
Brabender, dar aceste d iagrame au caracter de repetabilitate, astfel încât se pot trasa diagrame
pentru fiecare tip de frământător.
– Pentru malaxorul Tecnopast tip BSE 300 s -a stabilit o echivalență între valoarea măsurată de
farinograful Brabender de 500UB (5Nm) și valoarea d e 500 Nm măsurată de sistemul propus de
autor.
– Cantitatea de apă adăugată la frământare modifică poziția maximului curbei de variație a
momentului precum și alura specifică acesteia.
S-a observat că acțiunea de malaxare a aluaturilor provenite din făin uri de calități diferite
are un impact masiv asupra dezvoltării aluatului și că malaxoarele cu acțiune intensivă puternică
(cu o putere de 18 – 20 kW) nu se pretează pentru făinurile românești, care sunt de calitate medie
spre slabă, fiind mai potrivite ce le de 12 kW.
Testând influența a trei tipuri de malaxoare asupra proprietăților reologice ale aluatului, s –
a constatat că există diferențe clare de dezvoltare a aluatului, determinate de tipul organului de
frământare și construcția lui, construcția cuve i, turațiile lor, al gradului de uzură, chiar și pentru
același tip de malaxor.
S-a observat că malaxoarele intensive (care poate frământa un aluat în 5 minute),
comparativ cu cele clasice, reduc timpul de frământare substanțial, însă în cazul făinurilor de
calitate mediu și slabă, acțiunea de frământare impusă de aceste utilaje (energia introdusă în aluat)

35
a condus la scăderea cantității de apă adăugată în rețetă cu până la 6 procente față de alte tipuri de
malaxoare.
S – a constatat că malaxoarele dota te cu variator de frecvență pentru modificarea turației
brațului de frământare au permis o optimizare și mai bună a procesului de frământare, prin alegerea
vitezei de frământare funcție de calitatea făinii folosite în procesul de fabricație sau funcție de
cantitatea de apă adăugată în aluat, deoarece aluatul cu umiditate mai ridicată necesită o cantitate
de energie mai mică introdusă în aluat pentru obținerea unei frământări optime. De asemenea, și
adăugarea unor cantități diferite de sare și substanțe oxid ante modifică proporțional necesarul de
energie.
În urma modelării matematice a procesului de frământare cu un malaxor orizontal intensiv,
s – a evidențiat importanța proiectării și analizei formei brațului de frământare, care este
determinantă în modul c um este transmisă energia, precum și viteza cu care aceasta este cedată
aluatului pentru a obține o calitate superioară a acestuia.
Efectuarea unui studiu asupra procesului de frământare pentru un malaxor cu braț vertical
și cuvă mobilă folosind simularea numerică tridimensională, a scos în evidență faptul că rulmenții
cuvei influențează consumul de energie si proprietățile reologice ale aluatului.
Prin înlocuirea rulmenților la o cuvă pentru frământătorul Diosna SPV – AD160 și
înregistrând curbele de frământare cu ajutorul sistemului de măsurare și achiziție de date pentru
procesele de frământare cu ambele tipuri de cuve (cu rulmenți noi, respectiv uzați), a fost
identificată o metodă de îmbunătățire a procesului de frământare. Aluatul obținut folosind cuva cu
rulmenți noi, a căpătat o structură mai bună și implicit a adus beneficii în procesele următoare
(retenție de gaz mai bună la fermentare).
Experimentul efectuat reflectă importanța toleranței dintre brațul de frământare și cuvă, care
influențează cantitatea de energie introdusă în aluat. În acest fel, un nivel optim de energie
corespunde unui anumit timp de frământare.
Analiza 3D relevă difere nțe în distribuția de energie pe pereții cuvei și pe suprafața brațului
de frământare. Datele obținute în acest studiu pot fi folositoare în proiectarea echipamentelor de
frământare și optimizarea consumului energetic. Rezultatele obținute cu ajutorul simu lării efectuate
în programul Solid Works, pentru procesul de frământare, pot reprezenta pași premergători pentru
stabilirea parametrilor optimi necesari în procesul de frământare și care pot aduce îmbunătățiri
considerabile în procesele industriale.
Anali za studiului malaxării aluatului prin metode de simulare numerică evidențiază faptul
că prin aceste tehnici este posibilă estimarea rezultatelor prin utilizarea unor parametrii reologici,
cinematici și dinamici diferiți . Având în vedere numărul mic de ipot eze simplificatoare, rezultatele
obținute sunt similar celor obținute prin mijloace de măsurare experimentale.
Aplicațiile CFD pot asista la înțelegerea mai eficientă a mecanismelor fizice complexe ce
predomină în proprietățile reologice, fizice și termice ale materialelor ce compun alimentele.
Din dorința de a soluționa necesitatea de a filtra și prelucra datele experimentale obținute
cu standul experimental, a fost conceput un dispozitiv de achiziție și control al procesului de
frământare, care p oate măsura curentul cu ajutorul unui traductor de tensiune, controlează procesul
de frământare prin oprirea malaxorului la atingerea unei cantități totale (însumate) de energie
introdusă în aluat, afișează diagrama de frământare în timp real pe un ecran t actil și permite setarea
mai multor rețete de fabricație. El este conceput cu un sistem de operare (PLC) care ia decizii
asupra procesului de frământare. De asemenea, controlează momentul de descărcare a unor
ingrediente în timpul frământării.
Stabilirea nivelului de acuratețe a măsurătorilor și a funcționării sistemului de optimizare a
procesului de frământare s – a realizat prin montarea lui pe un malaxor cu braț dublu drept și cuvă
rotativă singulară și efectuarea a 10 frământări succesive în condiții s imilare a parametrilor de

36
lucru. Datele obținute au relevat un coeficient de corelație R2 mai mare de 0.98. Folosind funcția
ANOVA s – a stabilit că nu există diferențe semnificative între mediile a 10 eșantioane extrase din
măsurătorile făcute cu Sistemul de optimizare a procesului de frământare.
O singură ecuație în care se iau în considerație doar suprafața de contact și forța rezistentă
a mediului de frământare nu satisface în totalitate calculul momentului total de opunere a aluatului
la brațul de fră mântare deoarece există diferențe clare demonstrate prin măsurarea curentului
consumat de motorul frământătorului, dar și vizibile prin afișarea dezvoltării diagramelor de
frământare de către SOPF. Dezvoltarea diagramei de frământare este dependentă de for ma brațului
de frământare, de suprafața de contact a acestuia cu aluatul și a unghiului pe care îl face acesta față
de peretele cuvei.
Din calculul momentului maxim la brațul de frământare, folosind forța rezistentă a
mediului, se poate concluziona că mom entul de opunere la brațul de frământare este mai mare
pentru brațele drepte ale malaxorului de tip Hydra, decât pentru brațele elicoidale ale malaxorului
de tip Dublu Spiral, deși suprafața de contact între aluat și braț este mai mare pentru cel din urmă.
Acest aspect este deosebit de important și alături de viteza unghiulară a brațelor de frământare,
forța rezistentă a mediului de frământare și unghiul de atac al brațului, creează sistemul tehnic
complex ce stă la baza procesului de frământare.
Pentru b rațele drepte Hydra, forța rezistentă a mediului este distribuită pe toată suprafața
acestuia deoarece el este paralel cu planul făcut de peretele cuvei, în timp ce la brațele de formă
elicoidală, forța rezistentă asupra mediului scade odată cu creșterea u nghiului de atac pe care îl face
brațul față de peretele cuvei.
În urma simulării efectuate cu programul Solid Works, în care au fost evidențiate diferențele
constructive ale brațelor de frământare și influența acestora asupra modului de dezvoltare a
aluatului, a rezultat că malaxorul tip Hydra, cu brațe drepte de frământare execută o acțiune de
frământare mai intensivă decât în cazul malaxorului tip Dublu Spiral cu brațe elicoidale, datorită
modului în care este transferată energia specifică în aluat prin suprafața de contact dintre braț, aluat
și cuvă și a deformării aluatului în urma tensiunilor aplicate asupra acestuia, care corespund cu
valorile tensiunilor înmagazinate în brațele de frământare. De asemenea, există o creștere a
volumului pâinii până la valoarea de 380 W·h/Kg, după care volumul pâinii scade, atât la malaxorul
cu brațe drepte cât și la cel cu brațe elicoidale. Există o interacțiune între mediile eșantioanelor de
volum al pâinilor, de 73%, iar această interacțiune nu satisface gradul de pr ecizie dorit. Cauza
principală identificată este diferența constructivă a brațelor de frământare care au un efect diferit în
modul cum dezvoltă aluatul.
Deviația standard este cea mai mare la eșantioanele cu 330 W·h/Kg. Odată cu scăderea
volumului, crește și deviația standard, indiferent că se înregistrează o energie specifică mare sau
mică introdusă în aluat și indiferent de forma brațului de frământare.
Volumul este mai mare atunci când se folosesc brațele de formă dreaptă decât cele
elicoidale, până la energia specifică introdusă în aluat de 380W·h/Kg; după depășirea acestei valori,
la o energie specifică de 450 W·h/kg volumul scade mai mult la brațele de formă dreaptă decât la
cele elicoidale, deoarece gradul de înmuiere a aluatului și de introducere a energiei specifice în
aluat este mai mare.
În urma efectuării testelor de întârziere a momentului de adăugare a sării, se poate
concluziona că:
– Adaosul de sare de la începutul frământării determină reducerea capacității făinii de a absorbi apa.
– Adao sul de sare în timpul frământării într -un moment determinat experimental ca fiind optim,
permite creșterea capacității făinii de a absorbi apa cu până la 1.5 procente și chiar îmbunătățirea
stabilității aluatului și reducerea gradului de lipiciozitate.

37
– Energia specifică introdusă în aluat la care este optimă descărcarea sării a fost determinată
experimental, ea fiind diferită funcție de fiecare tip de malaxor în parte, deoarece diagramele de
frământare sunt diferite și implicit, efectul pe care întârziere a sării în același moment l -ar avea, ar
fi diferit.
Sistemul de optimizare a procesului de frământare SOPF stabilizează întregul proces de
fabricație deoarece indică pentru fiecare tip de făină, cantitatea exactă de apă care trebuie adăugată
în făină și c are condiționează direct consistența aluatului în așa fel încât aluatul rezultat are în
permanență același comportament pe linia de fabricație. Cantitatea de apă ce urmează să fie
adăugată în făina prelucrată, indicată de SOPF pentru a se obține aceeași co nsistență la fiecare
aluat, indiferent de capacitatea de hidratare a făinii, este rezultatul unei analize a întregii linii de
fabricație în vederea identificării unei consistențe minim acceptate de către elementele fluxului
tehnologic. Sistemul SOPF este i ndividualizat și optimizat pentru fiecare linie de fabricație în parte.
Pentru a indica cantitatea de apa ce trebuie adăugată la făină și obținerea unui aluat corespunzător,
SOPF compară consistența maximă măsurată în timpul analizei cu o valoare a consist enței măsurate
anterior și considerată etalon. După ce a obținut o diferență în plus sau în minus de unități MG față
de etalon, sistemul indică o cantitate de apă ce trebuie adăugată sau scoasa din rețetă.
Actualmente, sistemul de optimizare a procesului de frământ are (SOPF) este montat în 10
fabrici din țară.

Fig. 1.31 Sisteme SOPF, montate în fabricile de panificație din țară

Sistemul a fost depus pentru obținerea brevet ului de invenție, și a fost publicat în în BOPI
11/2016 , cu numărul a 2016 00452.
3. Contribuții personale

1) Demonstrarea utilității temei de doctorat care a avut ca obiectiv principal controlul
procesului de frământare a aluatului de panificație, prin implementarea unui sistem care
poate măsura consumul energetic în timp real pe orice tip de frământător.
2) Realizarea unui studiu documentar privind comportarea reologică a aluatului și elementele
de influență privind comportarea aluatului la frământare.

38
3) Conceperea și realizarea unui stand experimental alcătuit dintr – un clește ampermetric și
dispozitiv de achiziție date pentru dezvoltarea diagramei de frământare din momentele de
opunere la brațul de frământare.
4) Testarea funcționalității standului experimental în paralel cu farinograful Brabender.
5) Evaluarea caracteristicilor de frământare a făin urilor, folosind standul experimental
conectat la malaxoare industriale de diferite construcții.
6) Evaluarea diferențelor de dezvoltare a aluatului în funcție de caracteristicile de frământare
și a tipului de frământător folosit.
7) Simularea 3D a comportării a luatului la frământare, folosind metoda numerică pe calculator
a programelor Solid Works și ANSYS.
8) Evaluarea influenței adaosului de sare în aluat, la diferiți timpi de frământare.
9) Conceperea și realizarea unui dispozitiv de control al procesului de frămân tare cu ajutorului
unui traductor de curent, a unui releu și a unui sistem de operare dotat cu ecran tactil, cu
ajutorul cărora malaxorul este oprit când energia specifică cumulată introdusă în aluat
atinge valoarea optimă, setată.
10) Testarea funcționalităț ii dispozitivului în paralel cu farinograful Brabender.
11) Testarea funcționalității dispozitivului prin controlul frământării aluatului cu un malaxor
industrial, efectuarea a 10 teste de frământare succesive în condiții similare și compararea
rezultatelor fo losind funcțiile matematice predefinite din programul Excel și ANOVA.
12) Elaborarea unui model matematic pentru pre vizualizarea trendului de dezvoltare a
diagramei de frămâ ntare pentru orice tip de malaxor, model matem atic în care poate fi
folosită atât vâ scozitatea dinamică a aluatului , măsurată cu un vâscozimetru sau
vâscozitatea obținută î n urma unei simulări numerice , în care au fost introduș i parametrii
constructivi ai malaxorului studiat.
13) Studiile și cercetările efectuate pe parcursul pregătirii docto rale au fost valorificate prin
elaborarea unui număr de 6 lucrări științifice (5 lucrări ca prim autor). Trei lucrări au fost
publicate în volumele unor manifestări științifice internaționale (Opatija – Croația,
Lozenetz – Bulgaria), iar trei lucrări în re viste de specialitate din țară, indexate în baze de
date internaționale (Buletinul științific al UPB și INMATEH Agricultural Engineering).
4. Direcții viitoare de cercetare

1. Continuarea cercetărilor teoretice și practice privind comportarea la frământare a
aluatului.
2. Continuarea cercetărilor privind modelarea matematică și simularea comportării
reologice a aluaturilor din făină de grâu și nu numai.
3. Îmbunătățirea sistemului de optimizare și control a frământării, punctând câteva aspecte
de importanță majoră:
– Adăugarea apei în timpul frământării pentru corectarea variațiilor din dozarea
ingredientelor și obținerea consistenței optime a aluatului în fiecare șarjă;
În figura 1.31 se pot observa diagramele de frămâ ntare a trei aluatur i obținute cu aceeași
rețetă, dar la care sistemul d e optimizare a procesului de frământare a corectat consistența aluatului
prin adăugarea de apă în timpul procesului de frământare. Aluaturile au avut în componență : primul
4.7 litri, al doilea 2.7 litri ș i ultimul , cu 3.6 litri de a pă mai puțin decât cantitatea indicată în rețetă.
SOPF a făcut corecț ia abaterilor de dozare, adăugând cantitățile de apă lipsă, direct în timpul
procesului de frămâ ntare . Această acțiune a fost corelată cu timpul de frământare în așa fel încâ t,
la sfârș itul procesului de frămâ ntare , toate aluaturile au avut aceeași consistență.

39

Fig. 1.32 Diagrame de frământare SOPF, obținute în urma corectării consistenței aluatului

– Dezvoltarea unei versiuni a sistemului care să controleze concomitent mai multe
procese de frământare;
– Lansarea dispozitivului și pe piața internațională.

Bibliografie

[1] Daniela Voica, Diana Vlad , Sarea și sodiul, Actualități în industria de morărit -panificație nr. 2/2009
Redacția: Bucuresti,pg3, ISSN 1584 -7888;
[2] Georgiana Gabriela Codina , Proprietățile reologice ale aluatului din făina de grâu, Editura A.G.I.R.
2010;
[3] Ion Rășenescu , Operații și Utilaje în Industria Alimentară,Vol.II ,Editura TEHNICA 1972;
[4] Mihai Leonte , Studiul factorilor care influențează proprietățile reologice ale aluatului pentru panificație ,
Actualități în industria de morărit -panificație, nr. 1/2011 Redacția: București , pg.5, ISSN 1584 -7888;
[5] H. Faridi,J.M. Faubion , Dough Rheology and Baked Product Texture, Editura Van Nostrand Rein hold,
New York , 1990;
[6] R.M. Burluc , Tehnologia și controlul calității în industria panificației , Galați , 2007,
http://www.scribd.com ;
[7] Frazier P. J., Fitchett, C., S., and Russell Eggitt, P., W ., Laboratory measurement of dough development,
In Rheology of Wheat products, ed. Faridi, 1985, pg. 151 – 175;
[8] R. Haraszi, O.R. Larroque, B.J. Butow, K.R. Gale, F. Bekes , Differential mixing action effects on
functional properties and polymeric protein size distrib ution of wheat dough, Journal of Cereal Science 47
(2008), pg. 41 –51;
[9] Trevor S.K. , Gareth H. Mckinley, Madesh Padmanabhan , Linear to non -linear rheology of wheat flour
dough , Internationl Symposium on Food Rheology and Stru cture (ISFRS2006), ETH, Zuri ch, Feb.2006.
[10] Rouille, J., G. Della Valle, J. Lefebvre, E. Sliwinski and T. V an Vliet , Shear and extensional properties
of bread doughs affected by their minor components, J. Cereal Sci. 42(1) , 2005, pg. 45 -57;
[11] Abdelrahman R. Ahmed, I. Mohammed a nd B. Senge, Oscillation measurements and creep test of bread
prepared from wheat – lupin flours and w heat lupin fibre dough’s blends, Annual transactions of the nordic
rheology society, vol 20, 2012, pg. 145 – 152;
[12] Castell Perez M. E., Steffe J.F., a nd Morgan R.G. , Adaptation of a Brookfield (HBTD) viscometer for
mixer viscometer studies, Journal Texture Studies, 18, 1987, pg. 359 – 365;

40
[13] Hamidreza Gharahi, Byron A. Zambrano, David C. Zhu, J. Kevin DeMarco, Seungik Baek ,
Computational fluid dynamic simulation of human carotid artery bifurcation based on anatomy and
volumetric blood flow rate measured with magnetic resonance imaging, Indian Institute of Technology
Madras, Int J Adv Eng Sci Appl Math, 2016, DOI 10.1007/s12572 -016-0161 -6;
[14] Jonas Bredberg , On Two -equation Eddy -Viscosity Models, Department of Thermo and Fluid
Dynamics, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2001;
[15] Gheorghe Voicu , Procese și utilaje pentru panifica ție, Editura Bren, Bucure ști, 1999;
[16] Mihae la Ionela Luchian , Contribuții privind optimizarea energetică a procesului de malaxare a aluatului
de panificație , teză de doctorat, 2012;
[17] Venkat Ramayya, Vinayaka Rao, Krishnaiah. S, Indigenous development and testing of rotational
viscometer for bituminous binders, International Journal of Civil and Structural Engineering, Volume 4, No
3, 2014 pg. 286 – 294;
[18] Ritwik , Measuring the viscous flow behaviour of molten metals under shear, pHD Thesis, Brunel Centre
for Advanced Solidification Technol ogy Brunel University United Kingdom, May 2012;
[19] Jorge A. Jimenez and M. Kostic , A novel computerized viscometer/rheometer, Rev. Sci. Instrum. 65
(1), January 1994, pg. 229 – 241.