Разработка и создание новых ресурсосберегающих способов консервирования и эффективных усройств и аппаратов для тепловой стерилизации консервов

На правах рукописи

АХМЕДОВ Магомед Эминович

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ НОВЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СПОСОБОВ КОНСЕРВИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНЫХ УСРОЙСТВ И АППАРАТОВ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ

Специальность 05.18.12 – «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Махачкала – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО Дагестанский государственный

технический университет

Научный консультант:		доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашидович
Официальные оппоненты:		доктор технических наук, профессор Касьянов Геннадий Иванович
		доктор технических наук, профессор Улумиев Адам Абакарович
		доктор технических наук, профессор Гаджиев Серкер Шамилович
Ведущая организация:		ГНОУ Краснодарский НИИ хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии

Защита состоится "____"__________2011года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.052.05 в ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», по адресу 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Автореферат разослан "____" _____________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент М.Н.Исламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем интенсификации пищевых производств является создание новых, более эффективных ресурсосберегающих и экологически безопасных способов, технологий и соответствующих аппаратов по переработке сельхозсырья. В этом плане стратегическим направлением Государственной Программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 гг., утвержденной постановлением Правительства РФ, является ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий.

Однако используемые в пищевой промышленности способы консервирования, основанные на использовании тепловой стерилизации консервов, имеют существенные недостатки; они имеют значительную продолжительность тепловой обработки, что существенно ухудшает пищевую ценность готовой продукции по сравнению с исходным сырьем, а также требует значительных затрат тепловой энергии и воды.

Поэтому актуальная проблема создания новых, более эффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических процессов производства консервов требует разработки новых способов консервирования и эффективных устройств и аппаратов для стерилизации консервов. Решение этой проблемы связано с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева и лучистой энергии, например, электромагнитных полей и излучений сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). Такие способы консервирования позволяют более рационально использовать плодово-ягодное сырье, энергетические и материальные ресурсы, а также повысить качество готовой продукции.

Основными путями интенсификации процесса стерилизации, на наш взгляд, являются: применение высокотемпературных теплоносителей; вращение тары в процессе тепловой обработки; пароконтактный нагрев консервов в банках конденсирующимся паром; увеличение начальной среднеобъемной температуры консервов перед стерилизацией с использованием тепловых и физических факторов и процессов, а также совершенствование способов охлаждения консервов после тепловой стерилизации. Решению указанных проблем и посвящена данная диссертация.

Тема диссертационной работы соответствует приоритетным направлениям науки и техники и критическим технологиям, утвержденным Правительством РФ в 2002 г., развитию направлений, определенных приоритетным национальным проектом «Развитие агропромышленного комплекса», целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (Госконтракт № П 1577 от 10.09.2009 г.), и плану научных исследований в ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», финансируемому по госбюджету «Интенсификация технологических процессов пищевых производств» на 2009-2013гг.

Цель и задачи исследований. Цель данных исследований – разработка научных основ интенсификации процесса тепловой стерилизации консервов на основе новых способов консервирования и разработки эффективных устройств и аппаратов для стерилизации консервов с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева, а также предварительного подогрева плодов и овощей в банках с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и тепловой энергии.

В соответствии с этой целью в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

– обосновать научную концепцию по созданию новых интенсивных экологически безопасных ресурсосберегающих способов консервирования, устройств и аппаратов для стерилизации консервов;

– разработать новые эффективные способы консервирования с использованием энергии СВЧ ЭМП;

– разработать конструкции устройств и аппаратов для тепловой стерилизации консервов с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева;

– разработать математические модели исследуемых процессов для конкретизации и оптимизации параметров исследуемых процессов;

– установить оптимальные режимы стерилизации консервов с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева и СВЧ энергии;

– разработать новые интенсивные способы охлаждения консервов после тепловой стерилизации;

– определить оптимальные частоты вращения тары при ротационной тепловой стерилизации;

– исследовать качественные показатели продуктов, полученных с использованием новых способов консервирования;

– разработать техническую документацию на новые способы консервирования с использованием традиционного тепла и СВЧ ЭМП;

– определить экономический эффект от внедрения предложенных способов консервирования на Буйнакском консервном заводе Республики Дагестан.

Научная концепция диссертационной работы заключается в решении проблемы по разработке экологически безопасных ресурсосберегающих производств и переработки сельскохозяйственного сырья на основе интенсификации процесса тепловой стерилизации консервов с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева, повышения начальной среднеобъемной температуры консервов перед герметизацией с применением тепловой энергии, СВЧ ЭМП и эффективных способов охлаждения консервов после тепловой стерилизации.

Научная новизна. Разработаны теоретические и научно-технические принципы создания интенсивных технологий консервирования на основе комплексного использования высокотемпературного нагрева, вращения тары, интенсивных способов охлаждения, а также повышение начальной среднеобъемной температуры консервов с применением тепловой энергии и электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Предложены новые способы консервирования для различных консервов с использованием тепловой энергии и электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Разработаны новые способы воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов после тепловой стерилизации в аппаратах непрерывного действия открытого типа с вращением тары и двухступенчатого охлаждения в автоклавах.

Разработаны и предложены новые конструкции устройств для предварительного подогрева плодов и овощей в таре перед стерилизацией:

– с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты;

– с использованием нагретого воздуха;

– с использованием горячей воды.

Разработаны и предложены новые конструкции устройств и аппаратов для тепловой стерилизации консервов.

Разработаны математические модели:

– продолжительности процесса и скорости нагрева компотов в потоке нагретого воздуха с вращением тары;

– продолжительности процесса нагрева фруктовых натуральных соков в потоке нагретого воздуха с вращением тары;

– продолжительности ротационного охлаждения компотов и соков в потоке атмосферного воздуха;

– продолжительности ступенчатого воздушно-водоиспарительного ротационного охлаждения компотов и соков.

Новизна предлагаемых технических решений подтверждена 3 авторскими свидетельствами СССР и 403 патентами РФ на изобретения.

Практическая значимость работы заключается в разработке новых ресурсосберегающих способов консервирования и режимов стерилизации консервов, обеспечивающих сокращение продолжительности тепловой стерилизации до 25-30%, экономию тепловой энергии и воды до 20-30% и повышение качественных показателей готовой продукции.

Разработаны технические условия на производство консервов новыми способами консервирования: компот из абрикосов (ТУ 91 6311-001-2069504-06) и компот из яблок (ТУ 91 6311-002-2069504-06). Разработан и запатентован ряд устройств для предварительного подогрева плодов и овощей в таре и аппаратов для тепловой стерилизации консервов, и на их основе предложены новые интенсивные технологии производства различных консервов. Созданные аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов, устройство для предварительного подогрева плодов и овощей в банках и аппарат для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха экспонировались на выставках "Дагпродэкспо – 2006, 2008 и 2009" (г. Махачкала), где были удостоены золотых медалей.

В производственных условиях на Буйнакском консервном заводе апробированы новые способы консервирования, режимы тепловой стерилизации консервов и соответствующие устройства и аппараты.

На защиту выносятся следующие основные положения:

– концепция создания новых ресурсосберегающих экологически безопасных способов консервирования с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева и ЭМП СВЧ;

– новые способы высокотемпературной ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением;

– новый способ производства консервов посредством пароконтактного нагрева консервов в таре конденсирующим паром;

– новые способы консервирования плодовоовощных консервов с предварительным подогревом плодов и овощей в таре: горячей водой; горячим сиропом; воздействием СВЧ ЭМП; нагретым воздухом;

– новые способы консервирования с использованием двухступенчатой СВЧ-обработки плодов, овощей в банках перед герметизацией;

– новые способы консервирования плодово-ягодных соков СВЧ-обработкой в банках перед герметизацией;

– новые способы воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов в стеклянной таре;

– новые способы охлаждения консервов в стеклянной и жестяной таре после тепловой стерилизации в автоклавах;

– способы определения оптимальной скорости вращения банки при ротационной стерилизации;

– новые конструкции аппаратов и устройств для тепловой стерилизации консервов: аппарат для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха; аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов; аппарат для воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов после тепловой стерилизации в стеклянной таре; устройство для пароконтактной стерилизации и хранения консервов; устройство для подготовки стеклотары перед наполнением; устройство для подогрева и пастеризации консервов в СВЧ-поле; устройство для подогрева плодов и овощей в банках горячей водой и устройство для подогрева плодов и овощей в банках горячим воздухом.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены в период с 1978 по 2010 гг. на 23 конференциях различного уровня, в том числе 15 Всесоюзных (Махачкала, 1981 г., 2008 г., 2008 г.; Саранск, 1982 г.; Ленинград, 1986 г., 1991 г.; Москва, 1983 г.,1988 г.; Киев, 1991 г., 1998 г.; Воронеж, 2000 г., 2004 г.; Ставрополь, 2001 г.; Нижний Новгород, 2006 г, Краснодар, 2008 г.), 8 конференциях с международным участием (С.-Петербург, 1996 г.; 2001 г.; 2007 г., Махачкала, 1999 г.; 2009 г., Воронеж, 2004 г., Москва, 2001 г., Краснодар 1998 г.), Междисциплинарном научном симпозиуме «Механизмы участия воды в биоэлектромагнитных эффектах» Дагестан–2010 и научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и студентов ДГТУ.

Публикации. Основные научные положения диссертации опубликованы в 2-х монографиях, 35 научных статьях в рекомендованных ВАК РФ журналах, 42 тезисах докладов на различных конференциях; получены 3 авторских свидетельства СССР и 403 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, состоящего из 613 источников, в т.ч. 46 иностранных авторов, и приложений. Работа изложена на 425 страницах машинописного текста и включает 127 рисунков и 33 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая ценность и положения, выносимые на защиту.

Исходной теоретической базой выполненных исследований явились труды известных ученых: Аминова М.С., Бабарина В.П., Болла Ч., Горенькова В.И., Мазохиной-Поршняковой Н.Н., Рогачева В.И., Рогова И.А., Флауменбаума Б.Л и других.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития теории и практики тепловой стерилизации консервов. Отмечается, что традиционные, используемые в практике консервной промышленности, способы тепловой стерилизации имеют ряд существенных недостатков.

Представлена краткая характеристика основных способов тепловой стерилизации с их критическим анализом.

Приведен аналитический обзор основных конструкций аппаратов для тепловой стерилизации консервов. Показано, что перспективными направлениями по совершенствованию технологий и аппаратов для тепловой стерилизации являются применение высокотемпературных теплоносителей, вращение тары в процессе тепловой обработки, повышение начальной среднеобъемной температуры консервов перед стерилизацией.

На основании проведенного критического анализа литературных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлены обобщенная схема экспериментальных исследований (рисунок 1), разработанные автором лабораторные установки, а также использованные методики исследований.

В работе использованы следующие методы исследования состава продуктов – содержание сахаров (ГОСТ 8756.13.87), сухих веществ (ГОСТ28561-90), витамина «С» – по стандартному методу (метод Девятина); сахарозы и общего количества сахара (ГОСТ 8856.23-70).

Изложены методики измерения температуры при ротационном нагреве и определения требуемой летальности режимов стерилизации.

При разработке конструкций новых устройств и аппаратов основным методом являлось стендовое моделирование на основе экспериментальных данных.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по созданию интенсивных технологий тепловой стерилизации консервов с использованием вращения тары и нагрева в потоке воздуха с высокими температурами (120-150оС). Установлено, что вращение тары в процессе тепловой обработки обеспечивает интенсификацию процесса теплообмена. Выявлено наличие для различной тары и различных консервов определенных оптимальных частот вращения банок в процессе тепловой обработки. Разработаны способы определения оптимальной скорости вращения банки в процессе тепловой обработки. Сущность способа определения оптимальной скорости вращения заключается в том, что одновременно измеряют температуры в наименее и наиболее прогреваемых точках и по наименьшей разности температур между ними устанавливают оптимальную частоту вращения. Разработан также способ определения оптимальной скорости вращения по наименьшей разнице температур теплоносителя и продукта в наименее прогреваемой точке банок.

Результаты экспериментальных исследований прогреваемости компотов в стеклянной таре СКО 1-82-500 в потоке нагретого воздуха с различными параметрами и вращением тары с «донышка на крышку» представлены на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2, с увеличением скорости воздушного потока в и его температуры tв, продолжительность процесса нагрева уменьшается, а скорость прогрева продукта увеличивается. Так, установлено, что продолжительность нагрева компота от начальной температуры tн=50оС до конечной tк=100оС составляет при температуре нагретого воздуха tв=120оС и скорости воздушного потока в=1,2м/с 38 минут. Увеличение скорости воздушного потока до в=2,75м/с, при неизменной ее температуре (tк=120оС), приводит к сокращению продолжительности процесса нагрева компота до 100оС, которая составляет при этих параметрах 29 минут. Дальнейшее увеличение скорости до в=4,75м/с, 6,5м/с и 8,5м/с также приводит к сокращению продолжительности процесса, которая составляет соответственно 23, 21 и 19 минут. Анализ кривых прогреваемости консервов «Компот из черешни» в банках СКО 1-82-500 с вращением тары в потоке нагретого воздуха показывает, что оптимальной является скорость воздушного потока в пределах 5-6 м/с, так как дальнейшее, даже существенное, увеличение скорости воздушного потока практически мало влияет на сокращение продолжительности процесса нагрева, что подтверждается данными по прогреваемости компотов и при других температурах и в другой таре, представленными в таблице 1.

Рисунок 2 – Кривые прогреваемости консервов «Компот из черешни» при вращении банки 1-82-500 с «донышка на крышку» с частотой n= 0,133с-1 при температурах нагретого воздуха а) 120оС; b)130оС; с)140оС; d) 150оС и различных скоростях воздушного потока: 1)в=8,5 м/с; 2) в=5,75м/с; 3) в=3,5м/с; 4) в=2,75м/с; 5) в=1,2м/с

Анализ экспериментальных данных и их обработка с использованием метода наименьших квадратов позволили получить уравнение для расчета продолжительности нагрева компота из черешни в потоке нагретого воздуха в зависимости от объема тары V, температуры воздуха tв и ее скорости в.

Полученное уравнение имеет вид:

, (1)

где Р1=2,9+0,038tв; Р2=33+0,6 tв; Р3=0,13+0,02 в; Р4=1,2+0,3ln(V+0,1).

Относительная погрешность при сопоставлении расчетных и опытных данных колеблется в пределах 5-8%.