Исследование процессов концентрирования и ультрапастеризации соков методом прямого электронагрева тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Тихонов, Николай Викторович

• Тихонов, Николай Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Тихонов, Николай Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Способы концентрирования пищевых жидкостей

1.1.1 Экстракция

1.1.2Выпаривание

1.1.3 Электрохимические методы

1.1.4Обратный осмос и ультрафильтрация

1.1.5Вымораживание

1.2 Аппаратурное оформление процессов концентрирования

1.2.1 Экстракторы

1.2.2Выпарные аппараты

1.2.3Мембранные аппараты

1.2.4 Аппараты для вымораживания

1.3 Аппараты электродного типа (АЭТ)

1.4 Способы интенсификации процессов концентрирования

1.4.1 Методы интенсификации экстракционного процессса

1.4.2Методы интенсификации процесса выпаривания

1.4.3Методы интенсификации фильтрационных процессов

1.4.4Методы интенсификации криоконцентрирования

1.4.5Методы интенсификации прямого электронагрева

1.5 Способы борьбы с карамелизацией и пеной

1.5. 1Карамелизация

1.5.2Пенообразование

1.6 Асептическое влияние прямого электронагрева

1.6.1 Омическое асептирование на производстве

1.7 Биологическое влияние прямого электронагрева на продукт

1.8 Выводы из литературного обзора

1.9 Постановка задачи исследований

Глава 2. Научные и экономические предпосылки использования омического

нагрева для концентрации соков

2.1 Ток как интенсификатор процессов в гетерогенных системах

2.2 Асептическое влияние тока на обрабатываемый продукт

2.3 Лабораторная установка и методики эксперимента

2.3.1 Экспериментальное определение факторов, оказывающих влияние на

интенсификацию тепломассообменных процессов в АЭТ

2.3.2Электропроводность раствора и концентрация сухих веществ

2.3.3Электропроводность раствора и температура

2.3.4Электпроводность раствора и кислотность

2.3.5Удельная мощность греющей камеры и гидродинамика АЭТ

2.3.6Экономическая и технологическая целесообразность использования тока в

пищевой промышленности

Глава 3. Математическая модель процесса омического нагрева жидкостей

3.1 Модель Де Альвиса и Фрайера

3.2 Модель Шастри-Паланиэппэна

3.3 Анализ моделей и применение к разрабатываемому АЭТ

Глава 4. Расчет и конструирование установки омического нагрева

4.1 Выбор материала электродов

4.1 ЛПроверка на коррозионную стойкость. Методика эксперимента

4.2 Расчет геометрии электродной группы

4.3 Меры по обеспечению электробезопасности установки

Глава 5. Апробация установки в реальных условиях и сравнение

5.1 Лабораторные установки и методика эксперимента

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов концентрирования и ультрапастеризации соков методом прямого электронагрева»

ВВЕДЕНИЕ

Впервые, про прямой электронагрев для пастеризации молока упоминалось в 1919 г., но успешное применение осуществлено и описано Гетчелом в 1935 г. [1]. Другое практическое применение, в виде устройства для бытового применения, прямого электронагрева было отмечено в 1938 г. в США в виде так называемого «процесса электропюре». Но это направление развития бытовой техники не получило дальнейшего развития из-за высокой стоимости, несовершенства средств электробезопасности, отсутствия инертных относительно рабочей среды материалов для изготовления электродов. Несмотря на некоторые недостатки прямого электронагрева, в последние две декады XX века продолжались исследования применения прямого электронагрева в технологиях обработки фруктов, овощей, мясопродуктов, молокопродуктов.

Прямой электронагрев является также одним из современных методов осуществления ультравысокотемпературного процесса стерилизации (UHT sterilization process).

С помощью прямого электронагрева становится доступной обработка продуктов с включениями размером до 10-13 мм, что затруднительно при ведении процессов в обычных теплообменных аппаратах. Кроме того, по сравнению с обычными теплообменниками, эксплуатация аппаратов прямого электронагрева и их обслуживание более просты.

Прямой электронагрев может использоваться для нагревания жидких пищевых продуктов, содержащих большие частицы, такие как супы, тушеные продукты, ломтики фруктов в сиропах и соусах, а также для нагревания термочувствительных жидкостей. Этот способ подвода энергии целесообразно использовать-при тепловой—обработке—протеиновых—продуктов,—которым свойственна термическая денатурация и коагуляция. Например, яичный белок может быть нагрет и законсервирован без коагуляции. Одним из направлений применения прямого электронагрева может быть очистка фруктов и овощей от кожуры. При этом можно в значительной мере уменьшить использование щелочи,

обычно применяемой для таких операций, что поможет уменьшить выбросы в окружающую среду [2].

Сегодня ряд зарубежных фирм выпускают промышленные аппараты прямого электронагрева для пищевых технологий. Среди них «Emmepiemme SRL» (Италия), «АРУ» (Великобритания) и прочие. Мощность таких аппаратов составляет 50-500 кВт, температура обработки продукта 50-170 °С, производительность 500-3000 кг/ч.

С использованием прямого электронагрева значительное количество перерабатывающих заводов разных стран (Италия, Греция, Франция, Мексика, Япония) уже вырабатывают цельные консервированные фрукты, фрукты в соусах, ломтиках и кубиках. В США прямой электронагрев применяется для производства низкокислотных фракционных (с кусочками) продуктов в консервных банках, а также для пастеризации яичных белков [1].

Анализ, проведенный в университете штата Миннесота в 90-х годах XX в., показал, что применение прямого электронагрева является экономически целесообразным, поскольку дает возможность существенно повысить качество продуктов. Это дало толчок к развитию технологий и оборудования для прямого электронагрева в пищевых областях. На сегодня стоимость оборудования для прямого электронагрева существенно снизилась и диапазон продуктов, для изготовления которых применяется прямой электронагрев, значительно расширился.

В 2004 г. ученые и производители Словацкой Республики начали проект «FOOD Prostart» с целью повышения конкурентоспособности продукции словацкой пищевой промышленности на рынках Австралии, Японии и Северной Америки. Они считают, что традиционные методы нагрева, где теплота

__образуется за пределами продукта и передается продукту за счет теплопередачи

или конвекции, непригодны для производства продукции из фруктов и овощей, содержащей частицы первичного сырья. При этом наблюдается перегрев жидких компонентов и недостаточный прогрев частиц, потеря пищевых и

органолептических качеств продукта. Целью проекта является решение указанных проблем с помощью прямого электронагрева.

Согласно данным, приведенным в справочнике энергоэффективности, выпущенном при участии Департамента анализа энергетики США, перспективными сферами применения прямого электронагрева является переработка овощей и фруктов, включая бланширование, упаривание, дегидратацию, ферментацию и экстракцию. В опытах, проведенных в университете штата Луизиана, образцы сладкого картофеля (батата) обрабатывались прямым электронагревом перед сушкой замораживанием. Это повышало степень высушивания на 25%, что приводило в свою очередь к значительной экономии электроэнергии и сокращению времени на обработку. Вместе с тем указано, что на эффективность процесса влияют такие параметры процесса, как частота переменного тока, напряжение, температура, до которой нагревается рабочая среда и ее электропроводность [3].

Действительно, основными параметрами, характеризующими процесс прямого электронагрева, являются частота тока, напряженность электрического поля и электрофизические свойства продукта. Увеличение напряженности электрического поля или уменьшение сопротивления продукта приведет к увеличению рабочего тока и, как следствие, к интенсификации выделения джоулевой теплоты. Также известно, что интенсивность нагревания со снижением частоты увеличивается. Так, наибольший эффект с точки зрения интенсивности нагревания имеет место при применении постоянного тока. Но использование постоянного тока для непосредственного нагрева пищевых продуктов крайне ограничено, а в большинстве случаев является невозможным вследствие электролиза.

С увеличением частоты тока эффективность прямого-нагрева продуктов уменьшается. Это происходит вследствие уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в объем продукта (поверхностный эффект). Таким образом, применение токов высокой частоты фактически может привести к образованию неравномерных полей температур в нагреваемом продукте.

Актуальность темы. В последние годы активно развивается применение в пищевых технологиях электрического тока непосредственно для обработки сырья и продуктов, а именно: электрогидравлический шок, электропорация (разрушение клеточных мембран) и нагрев за счет джоулевой теплоты — прямой электронагрев (омический нагрев).

Такие способы воздействия на пищевое сырьё, в некоторых случаях, особенно когда энергоносителем выступает электроэнергия, могут заменить традиционный нагрев за счет теплопроводности, конвекции и излучения, поскольку генерирование теплоты здесь происходит в самом продукте, что позволяет существенно повысить энергоэффективность производственных процессов.

Преимущество прямого электронагрева в сравнении с традиционным нагревом: быстрый и однородный нагрев, более высокая степень стерилизации при более низких температурах обработки, более высокое качество продукции, возможность обработки продукта с высоким содержанием твердых составляющих, непрерывность производственного процесса и надежный контроль его параметров.

Расчёт малогабаритного аппарата, подбор материалов электродов для концентрирования пищевых жидкостей, расчет оптимальных режимов эксплуатации является актуальной задачей в силу отсутствия единой схемы расчетов подобных аппаратов, отсутствия на рынке малогабаритных аппаратов серийного отечественного производства для обработки пищевых продуктов.

Степень разработанности темы. Проблемой теории и практики выпарных аппаратов, основанных на греющих камерах электродного типа занимались такие -известные ученые как Пищулин В.П., Косинцев В.И., Лотов В.А., Москвин Л.Н., _ Пьянков А.Г. и др. (СССР). На основании их исследований были созданы методические указания для учебного процесса по курсу «Процессы и аппараты химических производств», разработаны методики расчета аппаратов электродного типа, определены основные физико-химические характеристики процесса

прямого электронагрева. Однако их исследования относились к области неорганической химии и соединений. В направлении использования прямого электронагрева для обработки пищевых жидкостей известны работы Гетчела Б.Е. как одни из самых ранних работ по адаптации греющих камер электродного типа для пищевой промышленности. Непосредственно на обработке и ультрапастеризации пищевых продуктов специализировались такие ученые как Шастри С.К., Смит П., Де Альвис и др., а так же научные коллективы системы университетов Миннесоты (США), машиностроительного факультета Пражского чешского технического университета (Чехия), агрокультурного центрального университета штата Луизиана (США). Их разработки легли в основу формирования задач исследований данной диссертации, выбора объектов исследования и разработки аппарата прямого электронагрева (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013).

Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса концентрирования пищевых продуктов с использованием прямого электронагрева и разработка на этой основе методики расчета и создание аппарата прямого электронагрева.

Задачи исследований.

• Классифицировать методы концентрирования соков с позиции эффективности на основании литературного обзора применяемых методов по экономическим и технологическим параметрам. Определить факторы, оказывающие влияние на интенсификацию методов.

• Определить важнейшие факторы, оказывающие влияние на интенсификацию тепломассообменных процессов в разрабатываемом аппарате

-----прямого—электронагрева, включая электропроводность -пищевых- растворов,

вольтамперные характеристики системы, удельную мощность греющей камеры электродного типа, ее конструктивное оформление.

• Аналитически и экспериментально исследовать физико-химические процессы, возникающие при омическом нагреве жидкостей в аппаратах электродного типа, и их влияние на получаемый продукт.

• Построить математическую модель процесса омического нагрева, на основе анализа, существующих математических описаний аналогичных процессов.

• Разработать методику расчёта технологических и конструктивных параметров аппаратов омического нагрева соков.

• Экспериментально исследовать влияние обработки пищевых жидкостей в разработанном омическом вакуум-выпарном аппарате экстракторе на их органолептические, физические и химические характеристики.

Научная новизна работы.

• Установлена зависимость электропроводности, как основного параметра процесса омического нагрева, от концентрации упариваемого сока и от температуры для яблочного, облепихового, черносмородинового, рябинового соков.

• Получена линейная зависимость электропроводности от общей кислотности соков.

• Определена зависимость удельной подводимой мощности при прямом электронагреве от концентрации сухого вещества, не приводящая к увеличению объёма пены при кипении яблочного сока под атмосферным давлением, для заданной поверхности испарения.

• Построена математическая модель процесса омического нагрева плодово-ягодных соков.

• Разработана методика расчета аппаратов с рабочим объемом от 1 л до 100 л электродного типа, непрерывного действия с плоскопараллельным расположением электродов для концентрирования плодово-ягодных соков омическим нагревом.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

• Экспериментально определена взаимосвязь электропроводности соков с их физическими характеристиками.

• Получена эмпирическая зависимость удельной мощности греющей камеры от концентрации для яблочного сока, позволяющая контролировать пенообразование.

• Предложено математическое описание процессов прямого электронагрева, учитывающее влияние конвекции на температурный профиль.

Практическая значимость состоит в том, что:

• Изучена коррозионная стойкость нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в среде плодово-ягодных соков на примере яблочного и даны рекомендации по ее применению в качестве электродов.

• Доказано параллельное асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт в процессе нагрева, даны рекомендации по использованию асептического влияния в процессе производства.

• Разработана схема расчета малогабаритного аппарата прямого электронагрева непрерывного/периодического действия для исследования процессов нагревания, выпаривания и асептической обработки пищевых растворов различного состава.

• Для повышения эффективности и оптимизации размеров греющих камер электродного типа предложена оригинальная конструкция, содержащая перегородки, выполняющие функции гасителей воронки при перемешивании и электродов одновременно, на которую подана заявка на патент (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013). Эта конструкция позволяет минимизировать пенообразование, а за счет наличия нескольких электродных пар увеличить интенсивность процесса.

• На основании разработанной схемы расчета аппарат прямого электронагрева и оригинальной конструкции, описанной в заявке на патент, создан рабочий аппарат объемом 100 л и внедрен в производство на ООО НПО

«Здоровое питание» (акт внедрения, см. приложение А), где в ходе серии испытаний доказана его эффективность и адекватность теоретических положений работы, выносимых на защиту.

Личный вклад автора. Автору принадлежит основная роль в постановке задачи, планировании и проведении исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные исследования проведены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, личных вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования.

Апробация работы. XIV Всероссийская научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2013) и на расширенном заседании кафедры «Общей химической технологии», ИПР НИ ТПУ.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию интенсифицирующего воздействия прямого электрического нагрева на процессы концентрирования пищевых жидкостей в диапазоне изменения их электропроводности на примере плодово-ягодных соков яблока, черной смородины, облепихи и красной рябины.

• Экспериментальные данные, физико-математическую модель и методику расчета омического вакуум-выпарного аппарата-концентратора.

• Исследования и выбор конструкционных материалов корпуса аппарата, материалов электродов для сред в условиях наложенного переменного электрического тока частотой 50 Гц.

• Аппаратурно-технологическое оформление процесса омического нагрева плодово-ягодных растворов в условиях малотоннажных производств. --Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, перечня использованной литературы из 82 наименований. Основной текст изложен на 104 страницах. Диссертация содержит 8 таблиц и 21 рисунок.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Способы концентрирования пищевых жидкостей

1.1.1 Экстракция

Одним из популярных, перспективных методов разделения и концентрирования является экстракция [4].

Экстракция - сложный физико-химический процесс. Теория экстракции находится на стыке различных разделов химии: химической термодинамики, теории растворов, химической кинетики, органической химии и координационной химии. Для описания экстракционных процессов необходимо также использовать теорию массопереноса. Задача экстракции состоит в том, чтобы полно и селективно перевести компонент из водной фазы в органическую. Для этого необходимо подобрать условия образования подходящих соединений в виде которых компонент может находиться в органической фазе.

Начало количественному описанию экстракции (с химических позиций) положили Кольтгоф и Сендел, которые вывели в 1941 году уравнение, характеризующее экстракцию хелатов. Ирвинг и Уильяме развили эту теорию.

Последующие интенсивные исследования привели к выяснению химизма большинства экстракционных процессов [5], что позволило рассматривать экстракцию как метод для пищевой промышленности. С помощью экстракции можно разделять многокомпонентные системы, причем эффективнее и быстрее, чем это достигается другими методами. Экстракционные методы пригодны для абсолютного и относительного концентрирования (в том числе пищевых жидкостей), извлечения в экстракт микроэлементов или матрицы, индивидуального и группового выделения элементов. Выполнение экстракционного разделения и концентрирования обычно не требует сложного и

дорогостоящего оборудования. В лаборатории это чаще всего делительная воронка. С помощью воронки проводят периодическую экстракцию.

Основными преимуществами экстракционного метода являются высокая избирательность и чистота разделения, возможность работы как с большими, так и с самыми малыми концентрациями, отсутствие загрязнений продуктов, легкость технологического и аппаратурного оформления, возможность осуществления непрерывного процесса, автоматизации и, наконец, высокая производительность. Эти особенности делают экстракционный метод перспективным для применения в различных отраслях промышленности.

Области применения экстракции быстро расширяются. В настоящее время можно назвать аналитическую химию, радиохимию, ядерную технологию, технологию цветных и редких металлов и пищевую технологию. Кроме того, необходимо отметить большое значение экстракции для препаративных и аналитических целей в научных исследованиях, например при изучении процессов комплексообразования и состояния веществ в растворах. Развитие экстракционных методов достигло такой ступени, что в настоящее время можно экстрагировать любой элемент или разделить любую пару элементов путем применения тех или иных экстракционных систем или выбора соответствующих условий экстракции. Для прогнозирования экстракционной способности различных соединений используются достижения термодинамики, координационной химии, теории растворов, органической химии. Поэтому изучение экстракционных систем способствует развитию химии в целом [6-14].

Физическая сущность процесса.

При экстракции в системе жидкость - жидкость в контакт приводятся исходный^ растворг содержащий—компонент,—подлежащий—извлечению, - и - — растворитель, хорошо растворяющий этот компонент. Эти жидкости полностью нерастворимы или частично растворимы друг в друге, образуют две жидкие фазы. Переход экстрагируемого вещества из одной жидкой фазы в другую подчиняется законам массопередачи, растворимости и состояния межфазового равновесия.

Теория маесоиередачи позволяет находить способы контакта между фазами, обеспечивающее наиболее полное и быстрое проведение процесса.

Теория растворов дает возможность ориентироваться при выборе растворителя, который должен обладать плотностью, отличающейся от плотности исходного раствора, и малой растворимостью в нем, высоким коэффициентом распределения, большим коэффициентом диффузии, максимальной избирательностью и другими свойствами.

В результате взаимодействия исходного раствора с растворителем при достижении равновесия в системе образуется: раствор, обогащенный экстрагируемым компонентом; экстракт и жидкая смесь, объединенная этим компонентом - рафинат.

Состояние равновесия фаз характеризуется законом равновесного распределения (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 - Диаграммы равновесия двухфазной двухкомпонентной системы {р=сот()

Вид этой функции зависит от природы компонентов, температуры, концентрации экстрагируемого вещества в рафинате, поэтому даже при постоянной температуре линия равновесия в системе координат С/-Сг имеет форму кривой. Эта линия строится экспериментально.

Лишь весьма приближенно можно принять закон равновесного распределения в виде линейной функции:

С*х=кС2 (1.1)

где к- коэффициент распределения.

Достижение равновесных концентраций между фазами не является окончательной стадией процесса экстрагирования, т.к. для получения экстрагируемого компонента в чистом виде необходимо разделить эти фазы и отделить от экстракта растворитель, который может быть вновь использован в основном процессе. Для разделения фаз используется гравитационное отстаивание или центрифугирование, для регенерации растворителя -дистилляция и другие процессы.

Способы осуществления экстракции.

Периодическую экстракцию преимущественно проводят в делительной воронке. В делительную воронку вводят водный раствор, содержащий экстрагируемое соединение, и органический растворитель, не смешивающийся с водной фазой. Затем воронку энергично встряхивают для обеспечивания хорошего контакта фаз. После встряхивания фазы разделяют.

Непрерывная экстракция - осуществляется при непрерывном и относительном перемещении двух фаз; одна из фаз, обычно водная, остаётся неподвижной.

Противоточная экстракция. Последовательность операций в противоточном распределении заключается в том, что верхняя, как правило, органическая фаза переносится последовательно через серию экстракционных трубок и в каждой из них контактирует со свежими порциями нижней водной фазы до установления равновесия. Таким образом, на каждой стадии происходит распределение веществ между свежими порциями обеих фаз. Процесс установления равновесия и переноса повторяют п раз.

Противоточную экстракцию применяют для разделения сложных смесей, а также для выделения малых количеств компонентов из больших объёмов

исходного материала. Например, с помощью прибора, состоящего из 40 трубок, был выделен протоген из 4 т говяжьей и свиной печени. Есть и другие способы осуществления противоточной экстракции.

1.1.2 Выпаривание

Выпаривание - процесс концентрирования растворов за счет превращения части растворителя в пар. Движущей силой процесса является температурная депрессия.

Температурная депрессия - разность между температурами кипения раствора и растворителя. Известно, что движение паров над чистым растворителем при одной и той же температуре больше, чем над раствором. Определяется температурная депрессия опытным путем. Если известна

температурная депрессия при атмосферном давлении д", депрессию при других

давлениях можно определить по приближенной формуле Тищенко:

Аг=16,2-А^-Г2/г, (1.2)

где Т2 и г - соответственно абсолютная температура кипения (К) и теплота испарения (Дж/кг) для воды при данном давлении, или:

Ы = кЬа, (1.3)

где к=16,2Т2/г

Теплоемкость растворов является функцией температуры и концентрации растворенного вещества. Для большинства растворов теплоемкость не имеет аддитивных свойств и не может быть вычислена по теплоемкости растворенных веществ и растворителей. Отклонение от свойств аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества.

Теплота растворения зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, а также от концентрации раствора. При растворении твердых веществ во многих случаях разрушается кристаллическая решетка, что требует

затрат энергии, при этом наблюдается охлаждение раствора. Если же растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие с растворителем, образуя гидраты, то выделяется теплота. Теплота растворения, таким образом, представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия.

Вещества, легко образующие гидраты, имеют положительные значения теплоты растворения; вещества, не образующие гидратов, имеют отрицательные значения теплоты растворения в воде. Интегральной теплотой растворения q называют количество теплоты, поглощающейся или выделяющейся при растворении 1 кг твердого вещества (или раствора, в котором содержится 1 кг твердого вещества) в большом количестве растворителя.

Можно выделить три метода выпаривания растворов: парообразование на поверхности теплообмена; адиабатное испарение; испарение при контакте с теплоносителем.

1.1.3 Электрохимические методы

Омический нагрев - передовой метод тепловой обработки, в котором пищевой материал служит электрическим резистором и нагревается электрическим током, пропускаемым через него. Омический нагрев основан на прохождении переменного электрического тока через жидкость, обладающую электрическим сопротивлением. Переменное напряжение подается на электроды по обоим концам емкости с продуктом. Скорость нагрева напрямую пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е и электрической проводимости. Напряженность электрического поля можно изменять, регулируя расстояние между электродами или приложенное напряжение. Однако наиболее важным фактором является электрическая проводимость продукта и ее зависимость от температуры. Если продукт состоит из нескольких фаз, например в случае смеси жидких и твердых частиц, электропроводность всех фаз должна быть учтена. Поскольку электрическая

проводимость растет с повышением температуры, предполагается, что омический нагрев становится более эффективным при повышении температуры, например в результате быстрого нагрева. Разница между электрическим сопротивлением и его температурной зависимостью между двумя фазами может сделать тепловую характеристику системы очень сложной. Так как электропроводность есть влияние ионного состава, то можно регулировать электропроводность продукта (обеих фаз) посредством изменения уровней содержания ионов (например соли) для достижения эффективного омического нагрева.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Тихонов, Николай Викторович

100 выводы

1. Установлено, что прямой омический нагрев обеспечивает более интенсивное нагревание растворов, чем традиционные поверхностные и контактные способы нагрева.

2. Экспериментально определены важнейшие параметры электродной системы, выявлены основополагающие и значимые для процесса зависимости между ними.

3. Экспериментально доказано асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт, а также его меньшее деструктивное влияние на витаминный состав соков по сравнению с традиционными методами выпаривания.

4. Установлена зависимость электропроводности растворов пищевых жидкостей от концентрации сухих веществ, от кислотности и от температуры.

5. Доказана возможность измерять содержание сухих веществ в процессе выпаривания по изменениям электропроводности. Это дает возможность автоматизировать контроль за концентрацией продукта на всех стадиях выпаривания без нарушения режима ведения процесса, а также регулировать подачу исходного сырья.

6. Разработана методика расчета электродных греющих камер с плоскопараллельным расположением электродов для малотоннажных выпарных аппаратов. Разработана и предложена математическая модель.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихонов, Николай Викторович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Getchell, В.Е. Electric pasteurization of milk / B.E. Getchell // Agric. Engng. -1935.-№16.- 408 p.

2. Суханова, P.C. Современные промышленные способы очистки картофеля / Р.С. Суханова // Агроголландия. - 1993. - №3. - С.9.

3. Сайт государственного агрикультурного центрального университета штата Луизиана [Электронный ресурс]. - США. - Режим доступа: http://www.lsuagcenter.com/ (дата обращения: 20.05.2012).

4. Кузьмин, Н.М. Концентрирование следов элементов / Н.М. Кузьмин, Ю.А. Золотов // М.: Наука. - 1988. - 268 с.

5. Золотов, Ю.А. Концентрирование микроэлементов / Ю.А. Золотов, Н.М. Кузьмин // М.: Химия. - 1982. - 284 с.

6. Москвин, Л.Н. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии / Л.Н. Москвин, Л.Г. Царицина // Л.: Химия. - 1991. - 256 с.

7. Мицуике А. Методы концентрирования микроэлементов в неорганическом анализе. //М.: Химия, 1986. - 151 с.

8. Roland S. Young separation procedure in inorganic analysis // N. Y.: J. Wiley/ -1980.-475 p.

9. Minczewski J., Chwastowska J., Dybczynski R. Separation and preconcentration methods in inorganic trace analysis // N. Y.: Horwood - J. Wiley. - 1982. - 543 p.

10. Mizuike A. Enrichment techniques for in inorganic trace analysis // Berlin, Heidelberg, N.-Y.: Springer - Verlag. - 1983. - 144 p.

11. Золотов, Ю.А. Экстракция в неорганическом анализе / Ю.А. Золотов // М.: Изд-во МГУ.-1988.-82 с.

12. Золотов, Ю.А. Экстракция внутрикомплексных соединений / Ю.А. Золотов //М.: Наука.- 1968.-313 с.

13. Золотов, Ю.А. Экстракционное концентрирование / Ю.А. Золотов, Н.М. Кузьмин // Л.: Химия, 1971. - 272 с.

14. Основы аналитической химии. Книга 1. Общие вопросы. Методы разделения / Под ред. Ю.А. Золотова // М.: Высшая школа. - 2000. - 351 с.

15. Samaranayake С. P., Sastry S. К. 2005. Electrode and рН effects on electrochemical reactions during ohmic heating // Journal of Electroanalytical Chemistry. - 2005. - vol. 577. - P. 125-135.

16. Гельперин, Н.И. Выпарные аппараты / Н.И. Гельперин // M.: Химиздат. -1947.-406 С.

17. Лебедев, Л.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки / Л.Д. Лебедев // М. Энергия. - 1972. - 320 С.

18. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии // 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия. - 1972. 496 С.

19. Авторское свидетельство СССР № 432908 А1, МПК B01D1/00, Н05В1/00 от 25.06.74. Аппарат для концентрирования суспензий и растворов / В.П. Пищулин, В .И. Косинцев, В.А. Лотов -№1451422. заявл. 18.06.70. - 2 с. :ил.

20. Патент на изобретение США № 3584193, МПК Н05ВЗ/60 от 08.06.71. Water vaporizers / A. Bartis - Officiai Gazette. № 23-24. - заявл. 23.04.69. - 4 с :ил

21. Авторское свидетельство СССР № 96715 А1, МПК F22B1/30, B01D3/02, Н05ВЗ/60 от 01.01.54. Электродистиллятор / Г.А.Гузков - № 44641817. заявл. 20.04.51.

22. Косинцев, В.И. Выпарной аппарат электродного типа для упаривания раствора сульфата никеля / В.И. Косинцев, А.Г. Пьянков, В.П. Пищулин и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1983. - № 3. - С. 23.

23. Пищулин, В.П. Выпарной аппарат с суженым межэлектродным пространством / В.П. Пищулин, И.А. Соболев, В.И. Косинцев // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1981. - № 6. - С. 3-4.

24. Пищулин, В.П. Выпарной аппарат с радиальными электродами / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1981. - № 6.-С. 5-6.

25. Косинцев, В.И., Пьянков, А.Г. Испытания выпарного аппарата электродного типа с прямым электронагревом: Методическое указание к проведению

лабораторной работы по курсу «Процессы и аппараты химической технологии / В.И. Косинцев, А.Г. Пьянков // ТЛИ Томск. - 1978. - 11 с.

26. Авторское свидетельство СССР № 217362 А1, МПК В0Ш1/00 от 01.01.68. Выпарной электродный аппарат / Ф.П. Уткин, В.Я. Гольцов - № 1069192. - Бюл. № 16. -1с.: ил.

27. Авторское свидетельство СССР № 2151108 А1 от 1969. Электродный паровой котел / Г.П. Кронис, С.С. Мазанов - Бюл. № 27.

28. Авторское свидетельство СССР № 165255 А1, МПК Н05ВЗ/60, Р24Н1/20 от 01.01.64. Электронагреватель / С.В. Крохин, Г.П. Кронис - № 848803. - Бюл. № 18. - 1 с. : ил.

29. Авторское свидетельство СССР № 762898. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев -4с.: ил.

30. Авторское свидетельство СССР № 445441 А1, МПК В0Ш1/06, Р22В1/30 от 05.10.74. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев - №1629157. заявл. 02.02.71.-3 с.: ил.

31. Авторское свидетельство СССР № 621356 А1, МПК В01Б1/00, Н05ВЗ/06 от 30.08.78. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев, Б.Б. Евтеев - № 2013748. заявл. 11.04.74.-3 с.: ил.

32. Баттерворс, Д., Хьюит, Г. Теплопередача в двухфазном потоке // М.: Энергия. - 1980.-328 с.

33. Авторское свидетельство СССР № 944163 А1, МПК Н05ВЗ/40 от 15.07.82. Электродный выпарной аппарат / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев, И.А. Соболев, А.Г. Пьянков, П.Н. Селезнев, С.Н. Гришин - № 2997999. заявл. 16.07.80. -4 с.: ил.

34. Шульгин, Л.П. Электрохимические процессы на переменном токе / Л.П. Шульгин // Л: Наука. - 1974. - С.71

35. Авторское свидетельство СССР № 793585 А1, МПК В0Ш1/10 Н05ВЗ/40 от 07.01.81. Выпарной аппарат / В.И. Косинцев, А.Г. Пьянков, В.П. Пищулин - № 2527514. заявл. 29.09.77. -2с.: ил.

36. Авторское свидетельство СССР № 850096 А1, МПК B01D1/10 Н05ВЗ/40 от 30.07.81. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, заявитель и патентообладатель В.П. Пищулин - № 2038388. заявл. 01.07.74. - 3 с. : ил.

37. Авторское свидетельство СССР № 860761 А1. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, И.А. Соболев, В.М. Миронов. - 4 с. : ил.

38. Авторское свидетельство СССР № 613759 А1, МПК B01D1/10 Н05ВЗ/40 от 05.07.78. Выпарной аппарат / В.П. Пищулин, В.И. Косинцев, Б.Б. Евтеев - № 1998258. заявл. 22.02.74. - 2 с. : ил.

39. Авторское свидетельство СССР № 1063427 А1, МПК B01D1/10 от 30.12.83. Выпарной электродный аппарат / В.И. Косинцев, А.Г. Пьянков, В.П. Пищулин, В.Р. Риффель-№ 3298808. заявл. 11.06.81.-4 с. : ил.

40. Косинцев, В.И. Выпарной аппарат электродного типа / В.И. Косинцев, В.П. Пищулин, А.Г. Пьянков // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1977. - № 1.-С. 1-2.

41. Корсак, С.П. Электрические водонагреватели и паровые котлы / С.П. Корсак // JL: Госэнергоиздат. - 1954. - 346 с.

42. Menesberger, H.R. Textile Fibers / H.R. Menesberger // Wiley: New-York. -1954.-P. 886.

43. Drioli E., Yonglie Wu. Desalination / Dept. of Chem. Eng. Universita'di Napoli. -1985.-V. 53.-P. 339-346.

44. Хванг С. Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения / Пер. с англ. под ред. Ю. И. Дытнерского. - М.: Химия. - 1981.

45. Патент на изобретение США № 3541006 от 17.11.70. Ultrafiltration process / J. Bixler Harris, С. Rappe Gerald. -2 c. :ил.

46. E. Drioli, V. Calabrd, and Y. Wu. Microporous membranes in membrane distillation / Pure & Appl. Chem. - 1986. - V. 58. - № 12. - P. 1657-1662.

47. Khayet M., Godino M.P., Mengual J.I. Theoretical and Experimental Studies on Desalination Using the Sweeping Gas Membrane Distillation Method / Desalination. -2003.-V. 157.-P. 297-305.

48. Дытнерский, Ю.И. Интенсификация процесса мембранной дистилляции / Ю.И. Дытнерский, Г.Г. Фалилеева // Хим. Пром-ть. - 1992. - № 8. - С. 34-38.

49. Дытнерский, Ю. И. Разделение жидких смесей испарением через мембрану и мембранной дистилляцией / Ю.И. Дытнерский, И.Р. Быков, A.A. Акобян и др. // М.: НИИТЭХим. -1989.

50. Фиошин, М.Я. Успехи в области электросинтеза неорганических соединений / М.Я. Фиошин // М.: Химия. - 1974. - 216 с.

51. Гудима, Н.В. Интенсификация электролитического рафинирования меди / Н.В. Гудима, О.М. Зотков, Б.А. Кривоусов, А.Г. Титаренко // М.: Металлургия. -1978. .-80 с.

52. Машовец, В.П. Метод исследования электрического поля в растворах / В.П. Машовец // ЖПХ. - 1950. - Т. 23. -№ 1. - С. 60-80.

53. Гнусин, Н.П. Основы теории расчета и моделирования электрических полей в электролитах / Н.П. Гнусин, К.П. Поддубный, Д.И. Маслий // Новосибирск. -«Наука», Сибирское отделение. - 1972. - 276 с.

54. Авторское свидетельство СССР № 620875 AI, МПК G01M17/00 от 25.08.78. Установка для испытания материала на коррозию в высокотемпературной среде / В .И. Косинцев, А.Г. Пьянков, О.Г. Филичкина - № 2389642. заявл. 21.07.76.-4 с. :ил.

55. Купцов, A.M. Расчет параметров греющих камер коаксиального исполнения / A.M. Купцов, В.И. Косинцев, A.B. Каталевская // ВННИИ люминофоров. - 1987. -Вып. 32.-С. 95-99.

56. Форсблом, Г.В. Зависимость величины электрохимической и омической составляющих падения напряжения в электрохимической ячейке от ее геометрии / Г.В. Форсблом, В.П. Машовец // ЖПХ. - 1953. - Т. 26. - № 10. - С. 1020-1025.

57. Машовец, В.П. Влияние непроводящих включений на электропроводность электролита / В.П. Машовец // ЖПХ. - 1951. - Т. 24. - № 4. - С. 353-360.

58. The Maillard Reaction: Chemistry at the Interface of Nutrition, Aging and Disease / The N.-Y. Academy of Sciences. - Vol. 1043. - June 2005. - P. 582-597

59. Авторское свидетельство СССР № 410078 А1, МПК С12М1/06 от 05.01.74. Аппарат для выращивания микроорганизмов / А.П. Клименко, Ю.А. Васнецов, С.И. Писарев - № 1743957. заявл. 04.02.72. - Бюл. № 1. - 4 с. :ил.

60. Меткин, В.П. Известия ВУЗов / В.П. Меткин, В.Н. Соколов // Серия «Пищевая технология». - 1981. - №4. - С. 48-51.

61. Авторское свидетельство СССР № 728882 А1, МПК B01D19/02 от 25.04.80. Устройство для разрушения пены / Е.П. Смолин, Ю.П. Смолин, Ю.К. Чернов,

A.К. Тильна - № 2676335. заявл. 06.10.78. - Бюл. №15. -4 с. :ил.

62. Тихомиров, В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения /

B.К. Тихомиров // М.: Химия. - 1983. - 264 С.

63. Витошкин, А.Г. Химия и химическая технология / А.Г. Витошкин, A.M. Кутепов, С.А. Шорин // Известия ВУЗов - 1977. - Т.20. - №3. - С.445-448.

64. Smith, P. Freeze concentration of fruit juices and beer / P. Smith // ASHRAE Journal. - 1965. - № 6. - P. 87-91.

65. Pelt, W. The economics of freeze-concentration and its potential fields of application. Separation process by membranes, ion exchange and freeze-concentration in food industry / W. Pelt // Int. Symposium Paris. - 1975. - P. 17-25.

66. Site of North Star Ice Equipment Corporation [Электронный ресурс]. - USA. -Режим доступа: http://www.northstarice.com/ (дата обращения 20.02.2012).

67. Ice manufacture. Refrigeration / American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. - 2006. - Chapter 34. - ISBN 1931862877

68. Болога, M.K. Обезвоживание термолабильных материалов при сверхвысокочастотном энергоподводе / М.К. Болога, Л.Д. Иванов, Ю.А. Бошняга // Всесоюз. науч. конф.: Тез. докл. Харьков. - 1985. - Ч. 5. - С. 80-81.

69. Жогин, А.В. Формообработка микрокапсул в высокочастотном электрическом поле / А.В. Жогин, Ю.П. Юленец, В.А. Тихонов, А.В. Сухова // Всесоюз. науч. конф.: Тез. докл. Харьков. - 1985. -Ч. 5. - С. 39-40.

70. Гордеев, Ю.Н. Применение электрических полей для интенсификации, процессов массообмена между жидкостью и газом / Ю.Н. Гордеев, М.К. Болога,

Г.Ф. Смирнов // Всесоюз. науч. конф.: Тез. докл. Харьков. - 1985. - Ч. 3. - С. 184186.

71. Матвиенко, А.Б. Интексификация массообмена электрическим путем в капиллярноперистых средах / А.Б. Матвиенко, М.Д. Купчик, В.В. Танак // Всесоюз. науч. конф.: Тез. докл. Харьков. - 1985. - Ч. 4. - С. 83.

72. Письменный, В.В. Очистка веществ при наложении переменного тока /В.В. Письменный, Т.В. Чуйко, В.Т. Чуйко // Всесоюз. науч. техн. конф. «Реахимтехника-2»: Тез. докл. Черкассы. - 1985. - Ч. 1. - С. 26-27.

73. Mary Ann Liebert. Collection, storage, retrieval and distribution of biological materials for research cell preservation technology / Inc. publishers. - March 2008. - № 6.-P. 3-58.

74. Сайт производителя одного из крупнейших американских производителей оборудования для пищевых производств [Электронный ресурс]. - США. - Режим доступа: http://www.marlen.com/ (дата обращения 28.02.2013).

75. Сайт независимой исследовательской организации «Campden BRI» [Электронный ресурс]. - Великобритания. - Режим доступа: http://www.campdenbri.co.Hk (дата обращения 18.11.2012).

76. R. Ruan, X. Ye, P. Chen and C.J. Doona, University of Minnesota and I. Taub, Ohmic heating / US Army Natick Soldier Center. - 2001. - p. 243.

77. Sami Ghnimi, Nicolas Flach-Malaspina, Marlene Dresch, Jean-Francois Maingonnat. Energy Efficiency of a Novel Ohmic Heating Technology by Fluid Jet / American Council for an Energy-Efficient Economy Newspaper. - July 24, 2007.

78. Мальцева, Г.Н. Коррозия и защита оборудования от коррозии / Г.Н. Мальцева // Уч.пособие, Пензенский Государственный университет. - 2001. - С. 17-18.

79. Sastry S. К., Palaniappan S. Mathematical modeling and experimental studies on ohmic heating of liquid-particle mixtures in a static heater / Journal of Food Process Engineering. - 1992. - 15. - p. 241-61.

80. Jaromir Stand, Rudolf Zitny. Ohmic heating and fouling of foods // Czech Technical University in Prague, Faculty of the Mechanical Engineering. - № 16607. -2010.-p.10

81. Пищулин, В.П. Методика расчета выпарной аппаратуры с прямым электрическим нагревом / В.П. Пищулин // Изв. ТПИ. - Т. 259. - 1975. - С. 19-21.

82. Н. Hua, Y. Yonezawab, A. Matsudab, N. Ishidaa, A. Noguchia. Influences of ultrasonnd and Ohmic heating on growth of Sake yeast / Publications of Industrial Research Institute of Ishikawa. - Japan. - 2011.