Повышение эффективности процесса тепловой обработки какао-бобов и арахиса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Никель, Сергей Александрович

• Никель, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никель, Сергей Александрович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ КАКАО - БОБОВ И АРАХИСА.

1.1. Характеристика какао — бобов и арахиса как объектов тепловой обработки.

1.2. Современные способы и оборудование для тепловой обработки какао — бобов и арахиса.

1.3. Физико - химические изменения в какао — бобах и арахисе при обжарке.

1.4. Математические модели и методы оптимизации процессов тепловой обработки зернистых материалов.

1.5 Анализ литературного обзора и задачи исследования.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ КАКАО - БОБОВ И АРАХИСА.

2.1. Исследование процесса вакуумной сушки арахиса.

2.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследования.

2.1.2. Анализ основных закономерностей процесса вакуумной сушки арахиса.

2.2. Исследование процесса обжарки какао - бобов и арахиса в аппарате с комбинированным теплоподводом.

2.2.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследования.

А 2.2.2. Исследование температурного поля рабочих поверхностей противней.

2.2.3. Характер движения материала в аппарате.

2.2.4. Анализ экспериментальных закономерностей процесса тепло — и массообмена при обжарке какао - бобов и арахиса.

2.3. Комплексная оценка качества какао - бобов и арахиса после обжарки.

2.3.1. Органолептическая оценка продуктов.

2.3.2 Исследование изменения аромата арахиса в процессе тепловой обработки.

2.3.3 Хроматографический анализ изменения состава летучих компонентов какао-бобов и арахиса при обжарке.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПРИ НАЛОЖЕННОМ ОГРАНИЧЕНИИ НА ТЕМПЕРАТУРУ МАТЕРИАЛА.

3.1. Математическая модель кинетики процесса вакуумной сушки в аппаратах с комбинированным теплоподводом.

3.2. Оптимальное управление процессом вакуумной сушки.

3.3. Выводы по главе.

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

4.1. Разработка конструкций промышленных установок для тепловой обработки какао — бобов и арахиса.

4.2. Методика инженерного расчета аппаратов.

4.3 Расчет экономических показателей.

4.3.Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности процесса тепловой обработки какао-бобов и арахиса»

Кондитерская промышленность представляет собой индустриальное производство с высоким уровнем технологии и техники, мощным энергетическим хозяйством. Это одна из самых динамично развивающихся отраслей

7].

В современных условиях кондитерская промышленность вырабатывает изделия, представляющие собой группу пищевой продукции весьма обширного ассортимента (более 300 наименований), значительно различающегося по рецептурному составу, технолог™ производства и потребительским свойствам. Несмотря на то, что они не являются продукцией первой необходимо* сти и не входят в состав «продуктовой корзины», кондитерские изделия, ввиду своей потребительской привлекательности, пользуются достаточно высоким спросом у населения [77].

Кондитерские изделия отличаются высокой питательностью и усвояемостью. Указанные свойства присущи им благодаря использованию для их производства разнообразного по химическому составу и свойствам сырья: сахара, крахмальной патоки, фруктов и ягод, какао-бобов, арахиса и иных маслосодержащих ядер, молочных и яичных продуктов, муки, жиров и др. ф

Исходная рецептурная смесь может представлять довольно сложную композицию разнообразных компонентов, что позволяет, используя различные способы обработки сырья и полуфабрикатов, вырабатывать кондитерские изделия в широком ассортименте [33]. Начиная с 1997 г. в кондитерской отрасли наблюдается тенденция роста производства. Так, объем выпуска кондитерских изделий в 2002 г. в целом по России вырос на 8,8 % по сравнению с 2001 г. и составил 1952 тыс. тонн. Среднегодовой рост производства в отрас-♦ ли за этот 6-ти летний период составил 9,1 %.

В течение последних лет самым динамично развивающимся в отрасли остается сектор производства шоколада, шоколадных и других кондитерских изделий, содержащих какао и арахис. С 2000 г. производство этой группы товаров в стране впервые стало превышать по физическому объему производство всех остальных видов сахаристых кондитерских изделий. Выпуск товаров этой группы достиг четверти всего объема производства кондитерских товаров в стране [148].

Объемы закупок какао-бобов и арахиса постоянно растут. Так, в 2003 году предприятия закупили около 80 тыс. тонн какао-бобов и 60 тыс. тонн арахиса [147].

К 1990 году производством кондитерских изделий в стране занималось 127 специализированных фабрик и более 1000 малых предприятий, пище-комбинатов.

Либерализация рынка привела к спаду в отрасли. При этом наибольший спад имел место среди предприятий расположенных в небольших городах, имевших устаревшие технологии и технику малой мощности и находящихся в окружении неплатежеспособного населения. С 1997 г. отрасль приобрела устойчивую тенденцию восстановления производства. На рынок вышел ряд новых крупных и средних кондитерских предприятий, созданных за счет иностранных инвесторов и отечественных банковских структур.

Количество кондитерских предприятий, вырабатывающих только кондитерские изделия, к 2002 году возросло до 178, из которых свыше половины to мелкие, мощностью до 5 тыс. т в год. Вновь введенные мощности компенси-» ровали выбытие из эксплуатации вследствие ветхости и по другим причинам старого оборудования [148].

К отрицательным тенденциям в развитии отрасли следует отнести высокие темпы старения оборудования, что наглядно подтверждается ростом коэффициентов износа основных фондов, а особенно машин и оборудования [77]. Прослеживается тенденция снижения технического уровня производства. Основными причинами этого являются: высокий удельный вес устаревшего оборудования (в том числе для сушки и обжарки) и технологий; почти полное отсутствие отечественной машиностроительной базы; ограниченные источники финансирования предприятиями своих инвестиционных программ по техническому и технологическому перевооружению; недостаточность подготовленных кадров; ограниченные средства на научные исследования; рост цен на основные виды сырья; наводнение рынка импортной кондитерской продукцией по более низким, чем отечественная, ценам и др. Поэтому к первоочередным задачам кондитерской промышленности следует отнести такие, как достижение среднеевропейского уровня душевого потребления кондитерских изделий или превышение его, повышение технического уровня производства, повышение качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, развитие отраслевой науки [77].

Несмотря на объективные сложности, работники предприятий успешно трудятся над созданием новых технологий. Научные основы технологии начали закладываться с момента открытия в 1931 г. Всесоюзного научно-исследовательского института кондитерской промышленности (ВНИИКП). Значительный вклад в разработку научных основ техники, технологии и тех-нохимического контроля внесли Б.Я. Голанд, Т.П. Ермакова, А.В. Зубченко, М.М. Истомина, Б.В. Кафка, JI.C. Кузнецова, И.С. Лурье, Г.О. Магомедов, Г.А. Маршалкин, А.А. Раппопорт, В.А. Реутов, А.А. Соколовский, Л.Б. Со-сновский и др. К последним достижениям ученых и работников предприятий можно отнести разработку и применение: натуральных красителей для придания цвета практически всем видам кондитерских изделий [47]: микронут-риентов и микродобавок для обогащения кондитерских изделий [122, 150, 82]: лакибулозы - препарата, обладающего бифидогенными свойствами [11]: антиоксидантов для решения проблемы окислительной порчи кондитерских изделий [44]: студнеобразователей из нетрадиционного сырья с целью увеличения сроков хранения и улучшения качественных показателей конфет [147]; обогащенных экструдированных полуфабрикатов из нешелушенного зерна для улучшения качества и снижения стоимости кондитерских изделий [67]. На некоторых кондитерских фабриках разрабатываются отдельные виды нового оборудования и совершенствуется существующее.

Дальнейшее развитие кондитерского производства [33] должно быть направлено на более быстрое техническое переоснащение производства, создание и внедрение новой техники и прогрессивных технологий; применение высокопроизводительных, автоматизированных поточных линий с компьютерной техникой; на внедрение новых ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих более полное использование сырья, материалов, энергетических ресурсов; совершенствование ассортимента изделий с учетом рыночного спроса; увеличение сроков годности кондитерских изделий за счет повышения требований к качеству сырья, совершенствования технологий, оборудования; на разработку современного, высокопроизводительного, автоматизированного оборудования нового поколения и др. * При производстве кондитерских изделий (шоколада, конфет и др.) широко применяют какао-бобы и арахис, предварительно высушенные и обжаренные. Сушку проводят в местах сбора урожая. Однако зачастую материал, закупленный за рубежом, поступает на кондитерские предприятия с повышенным влагосодержанием. Поэтому с целью длительного хранения его необходимо оперативно высушить до стандартного влагосодержания. Сушка и обжарка - важные технологические процессы. В результате тепловой обработки происходят сложные физико-химические превращения в ядрах и формируются их особый вкус, аромат и структура, обеспечивающие как нормальное протекание последующих технологических операций, так и вкус и аромат в готовых изделиях.

Интенсивность физико-химических процессов, происходящих в материале при термообработке, зависит от способов и режимов ее. При оптимальных режимах процесса, учитывающих термолабильность сырья, получают продукт с ярко выраженными ароматическими и вкусовыми свойства-% ми. Поэтому, крайне важным направлением совершенствования процессов тепловой обработки дорогостоящего сырья (какао-бобов, арахиса и других орехоплодных ядер) является научное обоснование способов и режимов сушки и обжарки с целью интенсификации процессов, получения готового продукта высокого качества и с низкой себестоимостью. Успешное решение этого направления - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.

В настоящей работе приведены результаты указанных исследований и предложены оригинальные конструкции промышленных аппаратов для тепловой обработки зернистых материалов.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры промышленной энергетики ВГТА на 2001-2005 гг. «Исследование процессов тепломассообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования» (№ гос. регистрации 01960007320).

Цель диссертационной работы: повышение эффективности тепловой обработки какао-бобов и арахиса за счет комбинированного теплоподвода, определения рациональных технологических режимов, обеспечивающих повышение качества готовой продукции.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- проведение экспериментальных исследований, анализ основных закономерностей процессов вакуумной сушки арахиса, а также обжарки какао-бобов и арахиса в аппаратах с комбинированным теплоподводом;

- построение математической модели вакуумной сушки и разработка метода оптимизации этого процесса;

- определение качественных показателей готового продукта;

- разработка новых оригинальных конструкций аппаратов и методики их расчета.

Научная новизна. 1). На основе экспериментальных данных проведен анализ влияния основных параметров на эффективность тепловой обработки какао-бобов и арахиса, позволивший определить рациональные режимы процесса; 2) дано математическое описание кинетики вакуумной сушки при постоянном парциальном давлении пара в сушильной камере и регулируемой температуре нагревателей, а также рассмотрена задача оптимального управления процессом при наложенном ограничении на температуру материала; разработан программный комплекс расчета процесса; 3) использована оригинальная методика определения аромата обжаренного продукта с применением матрицы масс- чувствительных сенсоров; 4) на основе теоретических и экспериментальных исследований предложены конструкции аппаратов для тепловой обработки зернистых материалов; новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2182812.

Практическую ценность представляют следующие результаты работы: 1) рациональные параметры процесса тепловой обработки какао-бобов и арахиса, проводимого в аппаратах с комбинированным теплоподводом; 2) методика и программа расчета кинетики вакуумной сушки зернистых материалов; 3) комплексное исследование качества и методика определения аромата готового продукта; 4) оригинальные конструкции аппаратов для тепловой обработки зернистых материалов и методика их расчета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 1996 по 2004 гг.), на «ОАО Воронежская кондитерская фабрика» (с 1999 по 2001 г).

На защиту выносятся:

1. Анализ основных закономерностей процесса вакуумной сушки и обжарки какао-бобов и арахиса.

2. Оценка качества какао-бобов и арахиса после обжарки.

3. Математическая модель процесса вакуумной сушки.

4. Метод программного управления процессом вакуумной сушки при наложенном ограничении на температуру материала.

5. Оригинальные конструкции промышленных установок для тепловой обработки зернистых материалов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Никель, Сергей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ti 1. Выявлены основные кинетические закономерности вакуумной сушки арахиса. Исследован характер влияния температуры на интенсивность процесса сушки. При остаточном давлении в камере 9,8 кПа и температуре рабочих поверхностей противней 60.65 °С длительность сушки составила примерно 50 мин, а температура слоя не превышала 50 °С. Арахис после сушки практически сохранил первоначальные органолептические свойства.

2. Установлено, что специально сконструированный экспериментальный обжарочный аппарат непрерывного действия, работающий под атмосферным давлением, обеспечивает перемещение материала (какао-бобов и арахиса) в виде слоя заданной толщины и его перемешивание при пересыпании с верхнего противня на нижерасположенные противни, равномерное распределение по поверхности противней, а также одинаковое время пребывания в аппарате всей массы материала. В результате достигается равномерная обжарка какао-бобов и арахиса.

3. Исследование закономерностей тепло — и массообмена при обжарке какао - бобов и арахиса показало, эффективность процесса при комбинированном подводе теплоты. Без ущерба для качества материалов целесообразно проводить обжарку при температуре рабочей поверхности противней 160 . 170 °С и времени 60 мин. При таких режимах в материале происходят все необходимые физико-химические изменения, благоприятно сказывающиеся на качестве готового продукта.

4. Комплексная оценка качества какао-бобов и арахиса выявила, что полученные продукты обладают хорошими органолептическими показателя

Щ ми, за счет повышенного содержания легких фракций, а так же высоким содержанием масла.

5. Построенная модель вакуумной сушки в аппаратах с комбинированным теплоподводом раскрывает физическую картину процесса и адекватна экспериментальным данным.

На основе математической модели решена задача оптимального управления процессом с учетом наименьшей продолжительности сушки при наличии ограничений на температуру материала.

6. На основе патента РФ 2182812 разработаны конструкции промышленных установок, работающих под атмосферным давлением и под вакуумом. Интенсификация процессов тепло- и массообмена достигается за счет совокупного воздействия на обрабатываемый материал кондуктивного, конвективного и лучистого теплопереноса. Размещение нагревателей внутри рабочей камеры обеспечивает как технологический эффект в отношении регулирования процесса, так и повышает тепловую эффективность работы установок.

Разработана методика инженерного расчета аппаратов для тепловой обработки зернистых материалов, дающая практические рекомендации по повышению эффективности их работы.

136

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никель, Сергей Александрович, 2004 год

1. А кулич П.В. Термогидродинамические процессы в технике сушки. — Минск, 2002. 267 с.

2. Алексеев Е.Л., Пахомов В.Ф. Моделирование и оптимизация технологических процессов в пищевой промышленности. — М.: Агропромиздат, 1987.-272с.

3. Бабенко В.Е. Использование методов математического моделирования при разработке процессов сушки в аппаратах со взвешенным слоем// Химическая промышленность, 1979. № 6. — С. 353-356.

4. Бакренев В.Ю., Романков П.Г., Фролов В.Ф. Кинетика сушки и нагрева материала в псевдоожиженном состоянии при периодическом режиме и постоянной температуре теплоносителя в слое// Журнал прикл. химии, 1972. Т. 45, № 9. - С. 2099-2101.

5. Бакренев В.Ю., Романков П.Г., Фролов В.Ф. Расчет процесса непрерывной сушки в псевдоожиженном слое// Журнал прикл. химии, 1973. — Т. 46, №3.-С. 678-680.

6. Белик В.Г., Костанжи И.И. Справочник по моделированию и оптимизации теплообменного оборудования сахарной промышленности. — М.: Агропромиздат, 1986.- 1986.-271с.

7. Бутковский В.А. Задачи конференции «Кондитерские изделия XXI века» // Материалы четвертой международной конференции «Кондитерские изделия XXI века», Москва, 2003 г, С.5 7.

8. Бычко Б., Бойсан М., Фролов В.Ф. Микрокинетика процесса сушки в псевдоожиженном слое при осциллирующем температурном режиме// Теоретические основы хим. технологии, 1983. Т. 41, № 7. - С. 15951598.

9. Васильев Ю.В., Фролов В.Ф. Гидродинамика щелевого аппарата фонтанирующего слоя// Журн. прикл. химии, 1984. Т. 67, № 2. - С. 314-319.

10. Воронец Д., Козин Д. Влажный воздух: термодинамические свойства и применение: Пер.с сербохорв.- М.: Энергоатомиздат, 1984 136с.

11. Гаврилов Г.Б. Кондитерские изделия с лактулозой «Лазет» // Материалы четвертой международной конференции «Кондитерские изделия XXI века», Москва, 2003 г, С.102 104.

12. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г. Разграничение основных стадий переноса влаги при сушке зернистых материалов в псевдоожиженном слое// Химическая промышленность, 1979. № 6. - С. 338-341.

13. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1973. 528с.

14. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985 - 336 с.

15. Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, 1960. -683с.

16. Гинзбург А.С. Технология сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. - 240с.

17. Гинзбург А.С., Резчиков В.А. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. М.: Пищевая промышленность, 1966. - 208с.

18. Гинзбург А.С., Резчиков В.А. Теория и техника сушки термолабильных пищевых материалов в кипящем слое// Тепло- и массоперенос. Том 5. M.-JI.: 1966. с.463-475.

19. Гинзбург А.С., Скверчак В.Д. Современные способы расчета и проектирования процесса сушки зерна. Серия "Элеваторная промышленность". М.: ЦНТТТЭИ Мингаз. СССР, 1980. - 76с.

20. ГОСТ 10856-96. Семена масличные. Метод определения влажности. Изд-во стандартов, 1996-8с.

21. ГОСТ 10857-64. Семена масличные. Методы определения маслично-сти. Изд-во стандартов, 1986.- 8с.22