Получение пищевых порошков в сушилках-мельницах вибрационного типа

На правах рукописи

ДУБКОВА НАИЛЯ ЗУФАРОВНА

Получение пищевых порошков в сушилках-мельницах

вибрационного типа

05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань, 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Николаев Андрей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Антипов Сергей Тихонович

доктор технических наук, профессор

Габитов Фаризан Ракибович

доктор технических наук, профессор

Садыков Ренат Ахатович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Оренбургский государственный

университет

Защита диссертации состоится « 25 » ноября 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний учёного совета), А–330.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «____» 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор С.И. Поникаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной целью пищевой промышленности является снабжение населения качественными натуральными продуктами питания. Овощи и фрукты должны круглый год присутствовать в рационе питания человека, как незаменимый источник витаминов, органических кислот, минеральных веществ, необходимый для полноценной жизнедеятельности людей. Поэтому хранение и переработка растительного сырья с сохранением всех его питательных свойств является основной задачей пищевой и перерабатывающей промышленности.

Важным фактором, определяющим эффективность переработки растительного сырья, является сезонность его поступления на хранение и переработку, а также урожайность, изменяющаяся из года в год. Сезонность поступления скоропортящихся продуктов обуславливает сжатые сроки их переработки. Это приводит к необходимости разработки и внедрения таких способов переработки, при которых у растительного сырья вырабатывается способность к длительному хранению при сохранении состава исходного сырья.

Традиционные формы хранения и транспортирования растительного сырья предполагают ограниченные сроки и сложные условия хранения продукции. Большой объём сельскохозяйственного сырья делает его хранение и транспортировку сложными, дорогостоящими, громоздкими и энергоемкими. Кроме того, неизбежны потери, как самого сырья, так и его ценных компонентов при воздействии влаги и высоких температур, например, при консервировании.

Порошковый способ является наиболее перспективным, эффективным и компактным способом длительного хранения без потерь и транспортировки растительного сырья. Кроме того, в качестве сырья для этой технологии могут использоваться как цельные продукты, так и остатки других производств по переработке ягод, фруктов, овощей, которые содержат немало ценных компонентов. Пищевые порошки освобождены от значительной части влаги, содержащейся в обычных продуктах, в связи с чем, имеют незначительный объём, массу и высокую концентрацию питательных веществ. Низкая влажность порошков благоприятствует их длительному хранению при максимальной степени сохранения питательных свойств исходного продукта.

Существующие способы получения пищевых порошков являются громоздкими в аппаратурном оформлении, энергоёмкими, продолжительными по времени, поэтому проблема создания новых высокоэффективных технологий переработки растительного сырья является актуальной задачей пищевой индустрии.

В современных условиях внедрение энергосберегающих технологий являет­ся одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйство­вания предприятий. Одним из самых энергоемких процессов на многих предпри­ятиях является сушка. В частности, продолжительность сушки растительного сырья, являющегося наиболее ярким представителем термолабильных капиллярнопористых материалов, занимает до нескольких часов в зависимо­сти от свойств перерабатываемого материала, что обусловлено невозможностью повышения температуры процесса, приводящей к снижению качества продукта.

Значительно сократить продолжительность процесса, а значит, и сни­зить его себестоимость, позволяет проведение сушки и измельчения в одном аппарате для постоянного обновления поверхности испарения свободной влаги. Однако данные технологии до сих пор не имеют расчетной базы, позво­ляющей получить оптимальные режимные параметры процесса. Кроме того, нет четких рекомендаций по выбору той или иной технологии суш­ки с одновременным измельчением применительно к различным видами растительного сырья. Разработка методов расчета технологических процессов сушки растительного сырья при сопутствующем измельчении, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппара­турного оформления является актуальной задачей, имеющей важное ­хозяйственное значение.

Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Приоритетные направления науки и техники» (гос. контракт № 02.516.11.6040); в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракты № 02.740.11.0062; 02.740.11.0753; П560).

Целью работы является исследование процессов получения пищевых порошков из растительного сырья с совмещением сушки и вибрационного измельчения при пониженном давлении, разработка их аппаратурного оформления и методов расчета.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:

- разработка способов получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и измельчения в одном аппарате;

- экспериментальные исследования закономерностей движения перерабатываемого материала в вибрационном аппарате непрерывного действия;

- разработка теоретической схемы движения мелющих тел в вибрационном аппарате с круговой траекторией колебаний корпуса;

- теоретические исследования условий движения и взаимодействия частицы материала с вибрирующим корпусом, определение оптимальных параметров вибрации из условий максимальной скорости циркуляции загрузки;

- экспериментальные исследования кинетики измельчения растительного сырья различной влажности в диапазоне режимных параметров аппаратов;

- экспериментальные исследования кинетики сушки различных видов сырья в зависимости от режимных параметров процесса;

- разработка математического описания процессов сушки растительного сырья с сопутствующим вибрационным измельчением при кондуктивном и кондуктивно-конвективном способах подвода тепла;

- определение затрат мощности на перемешивание загрузки в зависимости от режимных параметров процессов сушки и измельчения;

- разработка аппаратурного оформления технологических процессов производства пищевых порошков совмещением в одном аппарате сушки и измельчения и промышленная реализация результатов теоретических и эксперимен­тальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые исследованы и обобщены закономерности процесса получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и измельчения в аппаратах вибрационного типа;

- в результате экспериментальных исследований структуры потока перерабатываемого материала в вибрационном аппарате были определены режимные параметры, обеспечивающие необходимое для сушки материала среднее время пребывания;

- в результате исследований условий циркуляции материала в вибрационном аппарате, определена зависимость времени контакта перерабатываемого материала с греющей поверхностью и оптимальные параметры вибрации из условий максимальной скорости циркуляции загрузки; разработанный механизм послойного движения мелющих тел в вибрационном аппарате, позволил проводить процесс измельчения растительного сырья в рациональных режимах за счет выбора начального размера частиц в зависимости от амплитуды колебаний корпуса;

- в результате экспериментальных исследований выявлены кинетические закономерности процессов сушки при пониженном давлении, вибрационном смешении и измельчении растительного сырья при производстве пищевых порошков при кондуктивном и кондуктивно-конвективном способах подвода тепла;

- экспериментальные исследования кинетики измельчения растительного сырья различной влажности при различных параметрах вибрации позволили выявить, что измельчение не является лимитирующим процессом при производстве порошковых продуктов, а лишь интенсифицирует процесс сушки, за счет постоянного обновления поверхности испарения свободной влаги;

- в результате экспериментальных исследований получены зависимости коэффициента внешнего трения для различного растительного сырья в зависимости от влажности образцов, определены зависимости затрат мощности на перемешивание загрузки при проведении процессов сушки и измельчения в вибрационных аппаратах;

- разработано обобщенное математическое описание технологических про­цессов, протекающих при сушке растительных материалов с сопутствующим вибрационным измельчением, позволяющее определить время получения пищевых порошков и скорость процесса;

- выявлены пути интенсификации процессов переработки растительного сырья, получены рациональные режимные параметры сушки, смешения и измельчения.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием фундаментальных законов теоретической механики, тепло- и массообмена при испарении жидкости, общепринятыми методами экспериментальных исследований, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность. В результате комплексного исследования тех­нологических процессов сушки растительных материалов с сопутствующим измельчением при получении пищевых порошков разработаны:

- новый способ получения пищевых порошкообразных продуктов из растительного сырья (патент РФ № 2064477);

- новые конструкции сушильного оборудования, а также конструктивные рекомендации, направленные на улучшение качества высуши­ваемого материала, новизна конструкций подтверждена патентами (патенты РФ № 2229340, 2413577, свидетельство на полезную модель № 14649).

- рациональные технологические режимы ведения сушки растительных материалов с сопутствующим вибрационным измельчением; технологические схемы переработки растительного сырья в пищевые порошкообразные продукты;

- экспериментальные установки и методики исследований кинетики сушки, смешения и измельчения растительного сырья.

Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конст­рукторской документации на стадии рабочих чертежей, паспортов и инструкций по эксплуатации. На техническую документацию имеется заключение регионального отделения санэпиднадзора и НПО «Пищепромпроектмаш». Внедрение аппаратов для сушки и измельчения растительного сырья осуществлено на предприятиях ОАО «Казанский завод продовольственных товаров», ООО «Ремтех», ОАО «Таткрахмалпатока».

На порошки из растительного сырья разработаны технические условия ТУ 9164-001-2069635-93 «Порошки пищевые растительного происхождения», получен гигиенический сертификат № 478358 от лаборатории на основании протокола анализа качества порошков в лаборатории СЭС.

Разработанные экспериментальные установки, методики и результаты исследований внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Технология сушки» и «Технологическое оборудование отрасли».

Основные положения, выносимые на защиту. Решение проблемы, со­стоящей в создании ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурно­го оформления процессов сушки растительного сырья при пониженном давлении с одновременным измельчением, на основе режимных параметров и конст­руктивных характеристик, полученных в результате расчета обобщенного ма­тематического описания, а именно:

- способы получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением процессов сушки и измельчения в аппаратах вибрационного типа;

- механизм послойного движения загрузки в вибрационном аппарате, позволяющий проводить процесс измельчения растительного сырья в рациональных режимах;

- математические зависимости определения времени пребывания материала в вибрационном аппарате от его режимных параметров;

- параметры вибрации, обеспечивающие максимальную скорость циркуляции перерабатываемого материала в вибрационном аппарате; математическая зависимость определения времени контакта перерабатываемого материала с вибрирующим корпусом;

- результаты экспериментальных исследований кинетики процессов сушки при пониженном давлении и вибрационном воздействии и кинетики измельчения растительного сырья при производстве пищевых порошков;

- результаты экспериментальных исследований коэффициента внешнего трения для различного растительного сырья в зависимости от влажности образца, необходимые для расчета затрат мощности; математические зависимости затрат мощности на перемешивание загрузки в зависимости при проведении процессов сушки и измельчения; результаты экспериментальных исследований затрат мощности в зависимости от различных режимных параметров процессов;

- обобщенное математическое описание технологических про­цессов, протекающих при сушке растительных материалов с одновременным вибрационным измельчением;

- конструкции аппаратов получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и вибрационного измельчения в режиме интенсивной циркуляции загрузки;

- усовершенствованные технологические схемы получения пищевых порошков из растительного сырья и режимы переработки растительного сырья в пищевые порошкообразные продукты;

- экспериментальные установки и методики исследований кинетики сушки, смешения и измельчения растительного сырья.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

Международной научно-технической конференции: «Холод и пищевые производства», С.Петербург, 1996; на Межрегиональных научно-практических конференциях «Пищевая промышленность-2000» Казань, 1996, 1998; на Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» С.Петербург, 1998; на Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», Москва – Казань - Уфа, 1999; на конференци молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», Казань, 1998 - 2010; на совместном заседании президиума АН РТ и коллегии министерства и продовольствия РТ, Казань, 1996; на IV Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» г. Ставрополь, 2010; на III научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания», Челябинск, 2010; на II Международной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии пищевых производств», Воронеж, 2010; на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23», Саратов, 2010; на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности», Бийск, 2010; на V научно-практической конференции молодых ученых, Магнитогорск, 2010; на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», Воронеж, 2010.

Результаты работы экспонировались на биотехнологической выставке «РосБиоТех» в Казани (2009, 2010). На этой выставке установка вибрационной cушилки-мельницы удостоена серебряной медали (2009), а способ получения пищевых порошков золотой медали (2010).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 76 печатных работ, в том числе 14 статей в ведущих рецензируемых журналах и 5 патентов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная и практическая значимость, сформированы цели и задачи исследований и дан краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе изложен методологический подход к исследованию тех­нологических процессов, протекающих при сушке растительного сырья с сопутствующим измельчением с получением пищевых порошков, исследование свойств растительного сырья, как объекта сушки. На основании анализа химического состава, строения, питательной ценности, полезных свойств различных классов растительного сырья и широты применения как компонентов пищи произведен выбор необходимых и ценных представителей этих классов как объектов исследования. Выполнен обзор различных способов хранения растительного сырья, показаны их преимущества и недостатки. Представлен новый способ получения порошков из растительного сырья, при котором процесс сушки проводится с применением внешнего подогрева при сопутствующем измельчении и смешении в аппаратах вибрационного типа. Измельчение продукта в процессе сушки мелющими телами, загружаемыми в аппарате, постоянно обновляет поверхность испарения со свободной влагой, обеспечивая первый период сушки на все время процесса, а также исключает налипание частиц загрузки на греющую поверхность. Вибрационное перемешивание всей загрузки способствует выравниванию температуры и влажности во всем объеме загрузки и интенсификации теплообмена. Вакуумирование позволяет исключить перегрев материала, обеспечивая сохранение всех качеств исходного продукта. При этом для поддержания температуры высушиваемого материала производится подвод тепла через нагретую поверхность, компенсирующий теплоту парообразования и различные потери тепла. Непрерывный отсос паров испарившейся влаги поддерживает постоянный градиент концентрации влаги в аппарате.

Предложена конструкция вибрационной вакуумной сушилки – мельницы периодического действия, в которой реализован представленный способ получения порошков из растительного сырья (рис.1). Горизонтальный цилиндрический корпус с центральной трубой, в которой размещен на подшипниках вал двухмассного инерционного вибратора, установлен на упругих опорах.