Исследование и разработка безвакуумной технологии сублимационной сушки плодов с использованием электротехнологий

На правах рукописи

Анисимова Ксения Валериевна

исследование и разработка «безвакуумной» технологии сублимационной сушки плодов с использованием эЛЕКТРОтехнологий

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – Пушкин

2008

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент	Литвинюк Надежда Юрьевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор	Беззубцева Марина Михайловна
кандидат технических наук, доцент	Дьячков Александр Яковлевич

Ведущая организация – ООО «Специальное конструкторское технологическое бюро – Продмаш» (СКТБ – Продмаш)

Защита состоится «26» декабря 2008 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д220.060.06 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт - Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, ауд. 2 - 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан «25» ноября 2008 г.

Размещен на сайте http://www.spbgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Смелик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Для нормальной жизнедеятельности человека огромное значение имеет система питания, создающая необходимые предпосылки для оптимального развития организма, поддержания его работоспособности, обеспечения долголетия.

Важнейшим условием сохранения здоровья является полноценное и регулярное снабжение организма всеми необходимыми микронутриентами: витаминами и минеральными веществами. Массовые обследования, проводимые Институтом питания РАМН, свидетельствуют о недостаточном потреблении витаминов и некоторых минеральных веществ у значительной части населения России.

Одним из путей повышения качества продуктов питания и совершенствования структуры питания населения является введение в рацион новых нетрадиционных видов растительного сырья, содержащих в своем составе сбалансированный комплекс белков, липидов, минеральных веществ, витаминов и обладающих высокими питательными, вкусовыми и лечебно-профилактическими свойствами. К наиболее перспективным видам нетрадиционного сырья относятся рябина обыкновенная и арония черноплодная.

Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и ягодного сырья, сохранение высоких биологических свойств при хранении без специального оборудования не позволяют его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 4…4,5 % предоставит возможность хранения его в обычных условиях длительное время. Вслед за развитием отрасли в целом совершенствуются привычные и появляются новые методы производства сушеных продуктов. Большинство из них в разной степени сохраняют свойства исходного сырья. Поэтому, в таких условиях на первый план выходит степень натуральности, срок хранения и состав полезных макро- и микроэлементов в получаемой продукции.

По сравнению с другими методами сушки сублимация позволяет наиболее полно сохранить питательные и биоактивные вещества, цвет и аромат.

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке «безвакуумной» технологии сублимационной сушки плодов с предварительным криогенным замораживанием и использованием электротехнологий.

В соответствии с поставленной целью предоставляется возможность решить следующие задачи:

- исследовать процессы криогенного замораживания плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной;

- исследовать кинетику сублимационной сушки плодов под действием ультразвука в среде инертного газа;

- разработать математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов под действием ультразвука в среде инертного газа;

- исследовать кинетику криогенного замораживания и сублимационной сушки обрабатываемых материалов на разработанной установке непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

- обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Научная новизна. В результате работы:

- исследованы кинетические закономерности процессов криогенного замораживания и сублимационного обезвоживания плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной;

- разработан непрерывный способ «безвакуумной» сублимационной сушки плодов с предварительным криогенным замораживанием в едином цикле;

- разработаны математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов при комбинированном энергоподводе;

- обоснованы основные энергетические и технологические параметры и режимы работы установки с комбинированным энергоподводом для непрерывного криогенного замораживания и сублимационной сушки исследуемого продукта.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

• разработан и испытан опытный образец экспериментальной непрерывно действующей установки УСС-НД-КЭ-З-01 производительностью 20 кг/ч по испаренной влаге, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
• использование опытного образца в учебном процессе.

Реализация результатов исследований. Работа является продолжением исследований вопросов теории и практики сублимационной сушки, связана с решением прикладных вопросов технологии и проектирования, новых образцов сушильного оборудования.

Работа основана на обобщении результатов исследований аспиранта, выполненных самостоятельно и в содружестве с инженерами, учеными, технологами и специалистами Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск) и ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

Для разработки исходных требований к технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре ТОППП ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии была разработана установка «УСС-НД-КЭ-З-01», на которой аспирантом исследованы кинетические закономерности сублимационного обезвоживания с предварительным криогенным замораживанием.

На защиту вынесены следующие положения:

- способ «безвакуумной» сублимационной сушки плодов с предварительным кристаллогидратным замораживанием в среде инертного газа, с введенными ультразвуковыми колебаниями на стадии сублимации и досушки и принудительным потоком газа через слой замороженного продукта;

- физический механизм криогенного замораживания и его математическое описание;

- физический механизм непрерывного процесса сублимационного обезвоживания плодов под действием ультразвука в потоке инертного газа, его математическое описание;

- высокоинтенсивная технология непрерывной «безвакуумной» сублимационной сушки, с предварительным криогенным замораживанием, и комбинированным энергоподводом в едином цикле.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе основные положения работы доложены: на научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства», Ижевск, 2005 год; «Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве», Ижевск, 2006; «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы», Ижевск, 2007; на всероссийском конкурсе научных работ аспирантов и молодых ученых, Казань, 2007.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 146 страницах основного текста, содержит 38 рисунков, 18 таблиц, список литературы содержит 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель исследований, раскрывается научная новизна, отмечена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проанализировано современное состояние энергосберегающей техники и технологии сушки плодов.

Проведенный анализ позволил установить:

• перспективность применения плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной в качестве пищевой добавки полифункционального назначения.

• принципиальное преимущество «безвакуумной» сублимационной сушки плодов под действием УЗИ в потоке инертного газа с предварительным криогенным замораживанием;

• необходимость дальнейших исследований процессов сублимационной сушки с предварительным криогенным замораживанием плодов;

• необходимость разработки технологии и оборудования с использованием криогенного замораживания, УЗИ и потока инертного газа;

• задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена технология для получения высококачественных сушеных плодов, в связи с этим выдвинута гипотеза о соединении в единый цикл технологии кристаллогидратного замораживания плодов с сублимационной сушкой в ультразвуковом поле.

Криогенное замораживание осуществляли на установке (рисунок 1), разработанной аспирантом.

Рисунок 1 Компоновочная схема лабораторной установки замораживания: 1-танк для хранения хладагента, 2-загрузка ягод, 3-система подачи двуокиси углерода, 4-сетка, 5-манометр, 6-термопара с мультиметром

Рисунок 2 Компоновочная схема лабораторной установки сублимационной сушки: 1- сушильная камера, 2-ягоды замороженные, 3-компрессор, 4-измеритель многоканальный с термопреобразователем сопротивления, 5-сетка, 6 - весы.

Установка работает следующим образом. Из баллона 1 через редукторы высокого давления по газопроводу газообразная двуокись углерода поступает в криогенную камеру, где происходит контактное замораживание плодов при давлении 0,1-0,3 МПа и температуре -35…-40°С в течение 15 мин. Затем вентиль баллона 1 закрывается, поступление СО2 в камеру прекращается. В камере происходит падение давления, что свидетельствует о дальнейшем протекании процесса образования кристаллогидратов - твёрдых кристаллических веществ, напоминающих по внешнему виду спрессованный снег. Образуются путём внедрения в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды и молекул газа. Они более рыхлые, чем обычный лед, неупорядоченное кристаллообразование мешает правильному росту кристаллов обычного льда, в результате не улетучиваются ароматические вещества, лучше сохраняется структура и химический состав продуктов. После стабилизации положения стрелки манометра 5 процесс считается завершенным. Контроль над температурой продукта производили термопарой с мультиметром 6.

Вынутый из криогенной камеры замороженный продукт немедленно пересыпается в сушильную камеру (рисунок 2), которая работает следующим образом.

Компрессором 3 инертный газ подается в нижнюю часть сушильной камеры. Включается пьезоэлектрический излучатель с ультразвуковым концентратором, в результате чего влага начинает испаряться. В материале поддерживается значительная разность температур. Инертный газ, проходя через слой материала отдает тепло продукту для удаления остаточной влаги, наблюдается понижение давления в верхней части колонны, с понижением давления интенсивность испарения увеличивается. При достижении требуемой конечной влажности процесс сушки прекращается и продукт выгружается.

В процессе сушки замерялись убыль массы плодов, изменение температуры и давления двуокиси углерода при прохождении через слой материала. Температура инертного газа, подаваемого в сушильную камеру, регулируется ГХМ. Для регистрации убыли массы использовались электронные автоматические весы.

На установке (рисунок 1) были выполнены исследования кинетики процесса криогенного замораживания ягод с последующей сублимационной сушкой.

На рисунке 3 приведены сравнительные срезы ягод при криогенном и шоковом замораживании, которое реализуется в воздушной среде, при теплообмене между теплонесущей средой (воздухом в камере) и хладагентом.

Рисунок 3 а – сравнительные срезы ягод рябины обыкновенной; б – сравнительные срезы ягод аронии черноплодной.

По ним видно, что при замораживании в потоке низкотемпературного инертного газа нарушение структуры наблюдается значительно меньше, образуются более мелкие кристаллы льда не повреждающие оболочку клетки.

Рисунок 4 Термограмма процесса замораживания аронии черноплодной

Рисунок 5 Термограмма процесса замораживания рябины обыкновенной

В результате изучения процесса замораживания аронии черноплодной (рисунок 4) установлено, что при криогенном замораживании по сравнению с шоковым, длительность процесса сокращается на 45,5%, а при замораживании ягод рябины обыкновенной (рисунок 5) время замораживания уменьшается на 41,7%. Процесс замораживания плодов аронии черноплодной по сравнению с плодами рябины обыкновенной происходит быстрее, это связано с различным содержанием сухих веществ. Продолжительность замораживания сокращается с уменьшением содержания сухих веществ.

На установке (рисунок 2) были выполнены исследования кинетики процесса сушки плодов при различных способах энергоподвода (рисунки 6,7).

Рисунок 6 Кривые сушки и скорости сушки плодов рябины обыкновенной при различных способах энергоподвода

Рисунок 7 Кривые сушки и скорости сушки плодов аронии черноплодной при различных способах энергоподвода

Проанализировав способы энергоподвода можно сделать вывод, что наиболее рациональным является комбинированный энергоподвод, который позволяет интенсифицировать процесс сублимационной сушки на 40 - 45 % для плодов рябины обыкновенной и на 45 - 50% для плодов аронии черноплодной.

Звуко - конвективная сушка плодов проводилась двуокисью углерода в диапазоне температур 0 – 20 С (рисунки 8,9).

Рисунок 8 Кривые сушки плодов рябины обыкновенной при различных температурах инертного газа

Рисунок 9 Кривые сушки плодов аронии черноплодной при различных температурах инертного газа

При сушке тем или иным способом тепловой обработки решающее значение имеет оценка качественных показателей готового продукта. Для сушки плодов основным показателем, определяющим качество продукта, является витамин С. Поэтому при исследованиях оценивали этот показатель в зависимости от тепловых нагрузок и временных характеристик процесса сушки.

В третьей главе приведена математическая модель процесса криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов в поле УЗИ в среде инертного газа.

Рассмотрен процесс охлаждения ягоды в среде с постоянной температурой и с постоянным коэффициентом теплоотдачи на его поверхности. В начальный момент времени = 0 все точки ягоды радиусом r0=0,004 (м) имеют одинаковую температуру t0 = 20 °С. Предполагается, что форма высушиваемого материала максимально приближена к форме шара, избыточная температура для любой точки ягоды с постоянным коэффициентом температуропроводности а. Тогда дифференциальное уравнение теплопроводности ягоды в сферических координатах при отсутствии внутреннего источника тепла имеет вид:

(1)

с граничными условиями третьего рода:

на поверхности шара при r=r0

в центре шара при r=0 из условий симметрии задачи

и начальным условием: для

Решение уравнения (1) получено методом разделения переменных и имеет вид

(2)

где , , - критерий Фурье.

Число из формулы (2) является корнем трансцендентного уравнения

, (3)

где - число Био.,

При распределении тепла в центре ягоды, величина R=0. Тогда согласно первому замечательному пределу отношение для ограниченного числа корней .

С учетом вышеизложенного выражение (2) запишется в виде

. (4)

Наибольшую трудность при расчетах представляет фазовый переход, который сопровождается выделением энергии в виде тепла при переходе из жидкой фазы в твердую. Эта задача решена через энтальпию, а выделение энергии в процессе кристаллизации льда учтено при расчете усредненного коэффициента теплоемкости взвешенного состояния вещества, величина которого входит в усредненный коэффициент температуропроводности .

Процесс моделирования проведен в среде газа двуокиси углерода при температуре -40°С.

Далее рассмотрен процесс сублимационного обезвоживания в потоке инертного газа при температуре 10 °С с учетом подводимого УЗИ.