Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Иванова, Марина Александровна

• Иванова, Марина Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванова, Марина Александровна

Глава 1. Состояние, цели и задачи исследования.

1.1. Современное состояние технологии и оборудования для выпечки хлебобулочных изделий.

1.1.1.Особенности влияния свойств теста на эффективность технологического процесса производства хлебобулочных изделий.

1.1.2. Рационализация технологии выпечки хлебобулочных изделий.

1.1.3.Современное состояние оборудования для выпечки хлебобулочных изделий.

1.2,Обоснование эффективности влияния ультразвука на скорость и качество выпечки мелкоштучных изделий.

1.2.1 .Анализ состояния ультразвуковой техники и технологий в пищевой промышленности.

1.2.2.Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях.

1.2.3. Перспективы повышения качества производства мелкоштучных булочных изделий под воздействием ультразвука.

Выводы.

Глава 2. Теоретические исследования ресурсосберегающей технологии и специального оборудования для реализации процессов выпечки мелкоштучных изделий из пшеничного теста.

2.1. Теоретическое обоснование усовершенствования технологии производства мелкоштучных изделий из пшеничного теста с применением ультразвука.

2.1.2 Особенности способа и конструкции устройств для выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука.

2.1.3. Математическое моделирование энергоподвода и тепломассообмена при выпечке хлебобулочных изделий при наложении поля ультразвука.

2.1.4.Сравнительная характеристика хлебобулочных изделий после реализации выпечки в поле ультразвука по сравнению с традиционной технологией.

Выводы.

Глава 3. Постановка эксперимента. Выбор методов исследования и описание математического аппарата для планирования эксперимента.

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования.

3.2 Объект исследования. Теоретические основы создания экспериментальной установки.

3.2.1 Теоретические основы создания экспериментальной установки.

3.3 Комплексная экспериментальная установка для выпечки мелкоштучных булочных изделий.

3.4 Методика проведения эксперимента.

3.4.1 Планирование многофакторного эксперимента.

3.4.2. Определение числа измерений.

3.4.3 .Произвоственная апробация.

3.5 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований.

3.5.1. Проверка воспроизводимости экспериментов.

3.5.2. Определение порога чувствительности приборов.

3.5.3. Определение метрологического показателя.

3.5.4. Математическая обработка экспериментальных данных полученных в ходе исследования.

3.6 Эколого-технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений.

3.6.1. Технико-экономическое обоснование выпечки мелкоштучных булочных изделий в поле ультразвука.

3.6.2. Экологические аспекты использования ультразвуковых технологий.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука»

В современном промышленном производстве хлебных продуктов наиболее характерным является выпуск мучных хлебобулочных изделий. Их изготавливают из смеси различных видов муки с добавлением улучшителей, воды, дрожжей, поваренной соли, сахара, и других ингредиентов.

Актуальной проблемой выпуска мелкоштучных булочных изделий является продолжительность технологического процесса. Выпечка является одной из важнейших стадий производства хлебобулочных изделий. Она осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение.

В этой связи повышение эффективности производства мелкоштучных булочных изделий является актуальной научно-технической задачей, имеющей большое экономическое и социальное значение. Ее решение требует проведения комплексных научных исследований, направленных на углубленное изучение закономерностей и механизма протекания процесса выпечки, разработки обоснованных методов проведения этого процесса.

Целью выполненной работы является разработка режимов оптимизация процесса и аппаратурного исполнения технологии выпечки в поле ультразвука пшеничных мелкоштучных хлебобулочных изделий из муки высшего сорта, как менее затратной и простой в реализации.

Решение затронутых вопросов невозможно без проведения исследований по созданию новых процессов и аппаратов для выработки мелкоштучных булочных изделий. Этим исследованиям, затрагивающим проблемы как фундаментального, так и прикладного характера посвящены работы значительного числа отечественных и зарубежных специалистов. Задачи фундаментального характера рассмотрены в трудах Ауэрмана Л.Я., Лыкова A.B., Михеева М.А., А.А.Михелева и др.

Прикладные исследования по созданию новых технологий и оборудования для пищевых производств освещены в работах Панфилова В.А., Арета В.А., Горбатова A.B., Кретова И.Т., Острикова А.Н, Маслова A.M., Мачихина С.А., Николаева Л.К., Стабникова В.Н., Алексеева Г.В., Пеленко В.В., Громцева С.А.,Андреев А.Н.

Для создания нового эффективного оборудования и реализации на нем современной технологи необходимо научное обоснование рабочих процессов, протекающих в машинах и аппаратах, в частности на стадии выпечки.

Системное исследование вопросов ресурсосбережения и повышения качества пищевого сырья с учетом достижений фундаментальных и прикладных исследований широко применяется в наше время, так, например, совершенствование технологического оборудования, применяемого для выпечки хлебобулочных изделий осуществляется по следующим основным направлениям:

- повышение качества, надежности и долговечности машин и механизмов;

- создание высокопроизводительных, универсальных аппаратов, удобных для применения в механизированных и автоматизированных поточных линиях;

- снижение массы машин и механизмов, уменьшение их габаритных размеров.

При значительном разнообразии выпускаемых хлебопекарных печей, их конструкции проработаны недостаточно. В частности:

- печи являются наибольшими потребителями электроэнергии;

- большая часть тепла, вырабатываемая печами, уходит в окружающую среду, поэтому требуется усиленная вентиляция помещения;

- печи являются основным источником выделения угарного газа, азотистых и сернистых веществ;

В современных условиях в процессе выпечки хлебобулочных изделий важную роль играет скорость выпечки. Поэтому поиск новых путей, возможностей в решении данного вопроса, прежде всего с использованием новых технологий, является той составляющей, над которой работают многие учёные. Также постоянно возрастает необходимость в оборудовании повышенной производительности при его достаточной компактности.

Таким образом, рассматриваемая в настоящей работе задача совершенствования ресурсосберегающих процессов и аппаратов переработки пищевого сырья путем разработки безреагентной технологии ускоренной выпечки пшеничных мелкоштучных хлебобулочных изделий из муки высшего сорта, как менее затратной и простой в реализации, представляется весьма актуальной.

В настоящее время в связи с возникшими энергетическими и экологическими проблемами актуальность необходимости совершенствования процессов и аппаратов очевидна и не требует доказательств.

Актуальность работы. Повышение эффективности выпечки является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое экономическое значение. Выпечка осуществляется в хлебопекарных печах, от степени совершенства которых во многом зависят как стоимость и свойства хлебобулочных изделий, так и общие затраты энергии на их получение. В настоящее время на долю процесса выпечки приходится 70% всех энергозатрат при производстве хлебобулочных изделий.

Относительно высокие потери энергии происходят из-за повышенных температур выпечки и соответственно, упека изделий. Кроме того упек увеличивается из-за принятой системы принудительной конвекции воздуха в пекарной камере.

Известные методы интенсификации теплообмена достигли своего предела и требуют применения новых эффектов. Анализ способов интенсификации теплообмена в других областях пищевой промышленности показывает, что особая роль отводится воздействию ультразвука.

В хлебопекарной промышленности применение ультразвука ограничено (например, при обработке зерна ультразвуком, в производстве сухарей, при создании водомасляных эмульсий для обработки форм перед выпечкой, при нарезке тортов и хлеба).

До настоящего времени научных работ по применению ультразвука для интенсификации процессов выпечки мелкоштучных булочных изделий не обнаружено. Влияние ультразвука на процесс теплообмена между тестовой заготовкой и газовой средой пекарной камеры, а так же влияние на удельные затраты не изучено и требует проведения исследований.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка ресурсосберегающего процесса выпечки мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука и соответствующего аппаратурного оформления.

Для достижения поставленной цели определены основные задачи исследования:

-определить возможности модернизации хлебопекарных печей;

- предложить новые способы осуществления интенсификации процесса теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в хлебопекарной печи;

-провести теоретические исследования воздействия ультразвука на тесто в процессе выпечки;

- разработать математическую модель процесса выпечки при наложении ультразвука;

- создать экспериментальную установку и изготовить дополнительные устройства;

- провести эксперименты по выпечке готовых мелкоштучных хлебобулочных изделий по разработанной методике;

- получить экспериментальные зависимости динамики процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки при наложении поля ультразвука на него;

- разработать технические условия на хлебопекарную печь повышенной эффективности, существенно изменяющей темп и качество выпекаемого хлебобулочного изделия.

На защиту выносятся следующие научные положения: механизм интенсификации выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарной печи в зависимости от параметров работы воздушного генератора ультразвука;

• математическая модель процесса выпечки при наложении ультразвука;

• методика расчета пекарной камеры с встроенным воздушным генератором ультразвука;

• техническое решение конструкции хлебопекарной печи и вспомогательных устройств.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса тепло - и массообмена между газовой средой пекарной камеры и мелкоштучными булочными изделиями в присутствии ультразвука.

Определены характер процесса изменения температуры и упека хлебобулочного изделия в процессе выпечки и скорости выпечки при наложении поля ультразвука.

Предложен способ выпечки мелкоштучных булочных изделий в хлебопекарных печах с применением воздушного генератора ультразвука.

Предложено техническое решение интенсификации теплообмена между газовой средой и мелкоштучными булочными изделиями в хлебопекарной печи.

Практическая значимость. Разработан малозатратный метод интенсификации теплообмена между газовой средой и хлебобулочными изделиями в пекарных камерах посредством наложения поля ультразвука.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена опытно-промышленная конструкция устройства, повышающего эффективность хлебопекарных печей.

Предложена методика расчета пекарной камеры с установленным в ней воздушным генератором ультразвука.

Производственная апробация работы осуществлялась на ПП №2 ОАО «Каравай» («Кушелевский хлебозавод») в 2011г.

Результаты работы используются в учебном процессе для специальности «Машины и аппараты пищевых производств», для подготовки бакалавров по направлению: «Технологические машины и оборудование».

Материалы диссертации включены в рабочую программу повышения квалификации профессорско-преподавательского состава университета и других ВУЗов России «Вепольные технологии в пищевой промышленности».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета в 2009 г. и межкафедральных семинарах СПбГУНиПТ(2009-2011 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликованы четыре работы, в том числе две статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Положительное решение по заявке на изобретение № 2011125204/13 от 26.09.2011.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и дополнительно включает 53 таблицы, 36

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Иванова, Марина Александровна

Выводы по первой главе.

Анализ материалов литературных источников показал, что имеются теоретические работы и лабораторные исследования, подтверждающие возможность применения ультразвука в различных отраслях пищевой промышленности, в частности в хлебопекарной промышленности. Однако работ по применению ультразвука для интенсификации процессов выпечки мелкоштучных булочных изделий не обнаружено.

Анализ теоретических исследований известных способов интенсификации выпечки хлебобулочных изделий показал, что все они достигли своего предела и требуют применения новых эффектов, ранее не применяемых в хлебопечении. Выбран наиболее перспективный способ интенсификации теплообмена между мелкоштучным булочным изделием и газовой средой пекарной камеры для разработки и внедрения его в хлебопекарное оборудование. Таким способом является выпечка мелкоштучных булочных изделий с наложением поля ультразвука, снижающим энергозатраты и повышающим качество изделий.

Глава 2. Теоретические исследования ресурсосберегающей технологии и специального оборудования для реализации процессов выпечки мелкоштучных изделий из пшеничного теста.

2.1. Теоретическое обоснование усовершенствования технологии производства мелкоштучных изделий из пшеничного теста с применением ультразвука. Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы в пищевой промышленности дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми потребительскими свойствами. [34,83]Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает 10. 1000 кратное ускорение процессов, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, дегазацию, крашение, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию, предотвращение образования накипи, гомогенизацию, эрозию, химические и электрохимические реакции и многое другое). [51,52] В динамических условиях обнаруживается явление взаимного усиления действия вибрации и адсорбционно-активной среды -синергизм, характеризуемое существенным (на порядки величин) относительным уменьшением потребной мощности вибрационного поля в присутствии добавок ПАВ для увеличения степени разрушения структуры, т. е. возрастания текучести системы.

При этом увеличивается выход полезных продуктов (например, экстрактов) и им придавались дополнительные свойства (например, биологическая активность и стерильность), а также удается получить вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии).

Эффективность воздействия ультразвука может быть объяснена воздействием следующих специфических факторов, присущих ультразвуковым колебаниям[82]

• кавитационного эффекта;

• разрушающего действия на пограничный слой и клеточную стружку сырья;

• образования микропотоков;

• повышение диффузионной проницаемости ткани экстрагируемого материала.

Ультразвуковая кавитация - основной действующий фактор ускорения процессов в жидких средах.

Кавитация - образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью. В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн. При этом, в жидкости происходит разрушение поверхностей твёрдых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.

Рассмотрим возникновение эффекта кавитации в жидкости и протекание его по стадиям:

1. Действуем на жидкость УЗ колебаниями повышенной интенсивности. Как известно, УЗ волна, проходя через жидкость, создает зоны сжатия и зоны разряжения, меняющиеся местами в каждый полупериод волны. Возникающее при этом знакопеременное давление можно подсчитать по формуле:

Р = -4.6-10"3 (2.1.) где С - скорость распространения УЗ [м/с], I - интенсивность УЗ [Вт/см2] .При этом частицы среды колеблются с малыми амплитудами (доли микрометра) и громадными ускорениями, порядка 105§.

2. Увеличиваем интенсивность до 0,5-1 Вт/см2 . Появится нарушение однородности жидкости. В фазу разряжения (пониженного давления) в наиболее слабых местах начинается выделение растворенных газов с образованием одного долгоживущего пузырька. При этом образующийся пузырек стабилизируется монослоем органических веществ и линейно колеблется с частотой УЗ относительно своего равновесного Я. Очевидно, что максимальная амплитуда А у резонансных для данной частоты f пузырьков.

3. Дальнейшее повышение интенсивновсти до 1,5 Вт/см приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Пузырек сам становится источником УЗ колебаний: гармоник, с частотой пуТ, субгармоник, с частотами п/Т. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.

4. Четвертая стадия называется стадией нестабильной кавитации. Возникает при дальнейшем увеличении интенсивности I > 2,5 Вт/см . Она характеризуется образованием быстрорастущих парогазовых пузырьков, которые в фазу сжатия мгновенно сокращаются в объеме и схлопываются, т.е. наступает коллапс.

Для разных жидкостей, значения давления, при котором образуется кавитация, находится в пределах от 1,0 до 3,9 атм.

Если в сплошной среде - газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс. [84].

Воздействие УЗ с частотой 20-100 кГц характеризуется разделением молекул и ионов с различной массой, искажением формы волны, появлением переменного электрического поля, капиллярно-акустическим и тепловым эффектами, активацией диффузии.

Колеблющиеся пузырь Захлопывающиеся пузырьки

Волны давления.

Т'Ьмрнрчия гтилталг-тив" среде

Ударяые волны

Перепады акустического давления в среде

Ги.к'фЬК- ММГфОПОЮКП ТГ ОиЩШ' 1СЧ1М11ГЯ

Мч

2. Дн I -.У:!-:.-; н :г.т?

2. Изменение свойств молекул 3. Разрыв молекул ииринимию

Рис.2.1.Эффекты кавитации.

Возникновение кавитации приводит к началу химической реакции. Особенно это проявляется в воде и полярных растворителях.

Основным типом протекающих здесь реакций являются окислительно-восстановительные реакции.

Окислительно-восстановительные реакции при ультразвуковом воздействии.