Разработка технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с использованием СВЧ- и УЗ-излучений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Поспелова, Ирина Геннадиевна

• Поспелова, Ирина Геннадиевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Поспелова, Ирина Геннадиевна

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Способы консервирования.

1.2 Технологические приемы, используемые при сушке плодов и овощей.

1.3 Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки.

1.3.1 Конвективная сушка в вакууме.

1.3.2 Диэлектрическая сушка в вакууме.

1.3.3 УЗ - сушка в вакууме.

1.4 Оптимизация энергоемкости технологии сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

1.5 Выводы и задачи диссертационной работы.

2 ОБОСНОВАНИЕ ГИПОТЕЗЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ В ЕДИНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ЦИКЛ ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕМ И СОРТИРОВКОЙ НА УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

2.1 Теоретическое исследование кинетики сушки.

2.2 Разработка конструктивно-технологической схемы резки- и

• сортировки картофеля и яблок.

2.3 Методы и аппаратура для экспериментального исследования процессов вакуумного измельчения, сортирования и сублимационной сушки.

2.4 Исследование процессов измельчения, сортирования и скорозамораживания под вакуумом.

2.5 Обоснование конструктивных параметров сортировки.

2.6 Выводы по главе.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ МЕЛКОКУСКОВЫХ ПЛОДООВОЩНЫХ ПРОДУКТОВ НА УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЭНЕРГОПОДВОДОМ.

3.1 Испарительное самозамораживание.

3.1.1 Сортировка кубиков продукта в процессе самозамораживания.

3.1.2 Количество испаряемой влаги при испарительном самозамораживании.

3.2 Сушка под действием СВЧ и УЗИ энергий в фильтрационном потоке газа.

3.3 Формализованное изображение процесса энергопотребления комбинированной сублимационной сушки мелкокусковых материалов.

3.4 Выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ПЛОДОВООВОЩНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАНОВКАХ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЭНЕРГОПОДВОДОМ.

4.1 Общие вопросы методики исследований.

4.1.1 Методика экспериментальных исследований.

4.1.1.1 Объект и предмет исследований.

4.1.2 Алгоритм работы установки УСС-НД-КЭ-И-01.

4.1.3 Система управления установкой УСС-НД-КЭ-И-01 (СУПК).

4.1.4 Методы определения качественных показателей объекте сушки.

4.1.4.1 Метод определения аскорбиновой кислоты.

4.2 Кинетика сушки.

4.2.1 Испытания УСС-НД-КЭ-И-01.

4.3 Качество сушки.

4.3.1 Лабораторные испытания на макетах.

4.3.2 Испытания УСС-НД-КЭ-И-01.

4.4 Анализ результатов исследований.

4.5 Выводы по главе.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ НА УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

5.1 Расчет издержек по основным статьям затрат для базовой вакуумной сублимационной сушилки "Иней-17".

5.2 Расчет издержек по основным статьям затрат для предлагаемой установки УСС-НД-КЭ-И-02 непрерывного действия.

5.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с использованием СВЧ- и УЗ-излучений»

Основной причиной дефицита микронутриентов у современного человека как в России, так и во всех экономически развитых странах является резкое снижение энергозатрат и соответствующее уменьшение потребности в пище как источнике энергии, что не позволяет обеспечить эволюционно сформированные физиологические потребности организма в целом ряде незаменимых пищевых веществ за счет адекватного по калорийности рациона, состоящего из обычных продуктов питания.

Следствием этого является массовое распространение полигиповитаминозов, сочетающихся с недостаточным потреблением целого ряда важнейших макро- и микроэлементов, что наносит существенный ущерб здоровью. Особо при этом страдают системы антиоксидантной защиты, имеющие исключительно важное значение для предотвращения повреждений, вызываемых чужеродными для организма агентами (радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды и мн. др.).

Эффективным путем ликвидации дефицита микронутриентов является широкомасштабное производство функциональных продуктов питания, положительно влияющих на физиологические функции и обмен веществ в целом, а также оказывающих определенное психотерапевтическое воздействие.

Резкое ухудшение экологической ситуации повлияло на качественный состав потребляемой пищи. В связи с этим обеспечение населения безопасными и качественными продуктами питания является одной из важнейших задач пищевой отрасли [78].

Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют плоды, ягоды, овощи, и их соки. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в ежедневном рационе 700.800 г плодов и овощей позволит сократить риск возникновения онкологических, сердечно-сосудистых и некоторых возрастных заболеваний почти на 50 %. Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и плодово-ягодного сырья, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяют его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 8.8,5 % предоставит возможность хранения его в обычных условиях длительное время.

Создание и освоение новой сушильной техники для комплексной переработки сельскохозяйственного сырья с использованием передовой технологии, является актуальной задачей подъема народного хозяйства России. Вакуум-сублимационная сушка как метод консервирования, основанный на принципе низкотемпературного обезвоживания и позволяющий наиболее полно сохранить биологически активные и питательные вещества, содержащиеся в исходном сырье особенно перспективен для получения качественно новых продуктов функционального« назначения.

К основным преимуществам метода сублимационной сушки, делающим его промышленное применение весьма перспективным, относятся следующие:

• минимальные биологические и физико-химические изменения в продукте, связанные с обработкой при низких температурах;

• снижение массы продуктов, за счет уменьшения конечной влажности;

• значительное увеличение сроков хранения сублимированных продуктов при положительных температурах;

• упрощение реализации продуктов в торговой сети, в связи с ненадобностью холодильных установок.

Аналогичные установки разрабатывались и использовались в СССР и до сих пор эксплуатируются в России. Для таких установок характерны сравнительно низкая производительность, значительные затраты ручного труда, высокая себестоимость сублимированных продуктов [69].

Исследования по данной теме выполнены в соответствии с планом научно-исследовательской работы ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА (номер государственной регистрации 01200959200).

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортированием в едином вакуумном цикле и использовании энергосберегающих электротехнологий.

Научную новизну работы составляют:

• непрерывный способ сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортировкой в едином вакуумном цикле;

• математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и расчетная энергоемкость сушки мелкокускового материала с комбинированным энергоподводом;

• разработана установка непрерывного действия с предварительным измельчением, сортированием и сублимационной сушкой в вакууме кускообразных материалов, новизна которой подтверждена патентом РФ;

• кинетические закономерности скорозамораживания и сублимационной сушки картофеля и яблок обрабатываемых на вакуум-сублимационных установках непрерывного действия* с комбинированным энергоподводом.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

• разработан и испытан лабораторный образец непрерывно действующей сублимационной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-И-01, обеспечивающей эффективное ' выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

• использование результатов работы в научном и учебном процессе

ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА (Приложение В). Реализация результатов исследований. Работа является продолжением исследований вопросов теории и практики производства высококачественных сушеных полуфабрикатов и связана с решением прикладных вопросов технологии и проектирования новых образцов сублимационного оборудования.

Для разработки исходных требований технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА был создан опытный образец установки «УСС-НД-КЭ-И-01», на котором соискателем исследована кинетика сублимационной сушки кусочков фруктов и овощей, с предварительным измельчением и сортированием в вакууме. Результаты исследований апробированы и внедрены на предприятии ООО «Энергосервис» Агрызского района Республики Татарстан (Приложение Г).

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Поспелова, Ирина Геннадиевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор литературы позволил установить, что выпуск высококачественной сушеной плодоовощной продукции быстрого приготовления, имеющей длительные сроки хранения и удобной в использовании, сдерживается из-за отсутствия современных высокопроизводительных энергосберегающих технологий сушки и оборудования. Высшая категория качества готового продукта, сохраняемость биологически активных веществ, витаминов и органолептических свойств, значительный уровень энергосбережений, может обеспечить применение сублимационной сушки в вакууме на установках непрерывного действия.

2. Исследованы условия проведения^ технологических операций измельчения и сортировки в вакууме при самозамораживании (Р = 10.30 Па, Т^ = -16.-30°С) и показана возможность их совмещения с сублимационной сушкой фруктов и овощей с применением СВЧ- и УЗИ- полей в принудительном потоке газа (Ncb4=5kBt, /свч= 2450- МГц, Ny3h=4 кВт, /узи =18 + 2 кГц, t,=20°C).

3. Представлены математические модели процессов скорозамораживания при сортировке и сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, определяющие режимы процесса применительно к установкам непрерывного действия. Разработано формализованное представление энергоемкости и математическая модель расчета энергоемкости технологии сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом.

4. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями кинетики процессов скорозамораживания и сублимационной сушки, для обеспечения высококачественных мелкокусковых продуктов получены рациональные режимы проведения процесса:

• измельчение и сортировка продукта в вакууме при самозамораживании (V = 7x7x7, 13x13x13 мм3, Р = 10.30 Па, Т = -35.-30 °С);

• сублимационная сушка мелкокускового продукта в полях СВЧ энергии (Мсвч= 5 кВт, /свч= 2450 МГц) и УЗИ (1УЗ=130 Дб, Музи= Ю Вт, /УЗИ = 18 + 2 кГц) при принудительном и направленном фильтрационном потоке газа (^=20.40°С).

5. Разработан и изготовлен опытный образец установки непрерывного действия для сублимационной сушки измельченных фруктов и овощей с производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч (УСС-НД-КЭ-И-02), снабженный системой управления, позволяющий реализовать технологию получения сушеных (влажностью 8,0.8,5 %) мелкокусковых продуктов с содержанием витаминов близких к исходному продукту (не менее 94 %).

6. Обоснована технико-экономическая эффективность применения установок типа УСС-НД-КЭ-И для сушки мелкокусковых фруктов и овощей. При объеме сушки 24000 кг в год измельченного плодоовощного сырья годовой экономический эффект составит 1247269,2 руб., срок окупаемости капитальных затрат 2,34 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Поспелова, Ирина Геннадиевна, 2009 год

1. A.c. Способ сублимационной сушки / Г.Г. Валеев, Г.Г. Гофман, М.К. Дзалаев, И .Я. Либин; ЗАО «ТИМАКС». № 2001117729/06; заявл. 02.07.01.; опубл. 20.03.03.

2. A.c. 4841950/24-06 СССР. Способ сублимационной сушки гранулированных продуктов / B.C. Олыпамовский, Э.Г. Парухаладзе, И.Г. Чуммак и др. Положительное решение от 29.11.90.

3. А. с. 4950635/06 СССР, МКИ F26B 5/06. Непрерывно действующая вакуумная ленточная сушилка для сыпучих материалов / И.Т. Кретов, С.Т. Антипов, Ю.А. Завьялов, А.Г. Мордасов. Положительное решение от 22.06.92.

4. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. -М.: Наука, 1976. 283 с.

5. Атмосферная сублимационная сушка пищевых продуктов / Б.П. Камов-ников и др.. -М. : Колос, 1994.-225 с.

6. Бабарин, В.П. Справочник по стерилизации консервов / В.П. Бабарин, Н.М. Мазохина-Поршнякова, В.И. Рогачев. -М.: Агропромиздат, 1987.-271 с.

7. Байсиев, Х-М.Х. Исследование механизма объемного процесса вакуум сублимационного обезвоживания коллоидных материалов при терморадиационном энергоподводе : автореф. дис. . канд. тех. наук / Х-М.Х. Байсиев. Киев ИТТФ АнУССР, 1983.- 23 с.

8. Богатырева, Н.И. Овощи / Н.И. Богатырева. Ижевск : Удмуртия, 1979. -120 с.

9. Богданов, С.Н. Холодильная техника. Свойства веществ : справочник / С.Н. Богданов, О.П. Иванов, A.B. Куприянова. 3 изд. - М. : Агро-промиздат, 1985. - 208 с.

10. Болога, М.К. Некоторые вопросы энергоподвода при сублимационной сушке / М.К. Болога, JI.A. Батыш, Э.Я. Зафрин // Известия АрмССР 1968, №2, с. 23-26.

11. Боржков, П.Ф. Сушка дисперсных масс : автореф. дис. . канд. техн. наук / П.Ф. Боржков. МТИПП, 1954. - 14 с.

12. Бутковский, В.А. Технология перерабатывающих производств / В.А. Бутковский, А.И. Нерко, Е.М. Мельников. М.: Интерграф сервис, 1999.-472 с.

13. Вацек, В. Исследование процесса внешнего тепло- и- массопереноса при сублимационной сушке / В. Вацек, И. Зитко. Минск, ИТМО, им. A.B. Лыкова Ан БССР. - Т. X. - №6. - 132 с.

14. Веденяпин, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных / Г.В. Веденяпин. М. : Колос, 1973. - 199 с.

15. Виткевичус, Р. Исследование фильтрационного массопереноса в процессе сушки за счет градиента внутреннего избыточного давления : ав-тореф: дис. . канд. техн. наук / Р. Виткевичус. МЭИ, 1970 г.

16. Волыгин, А.З. Исследование процесса сублимации, в поле электромагнитного излучения различного спектра частот : автореф. дис. . канд. техн. наук / А.З.' Волыгин. М., 1969. -16 с.

17. Волынец, А.З. Сублимация в парогазовой среде при радиационном энергоподводе / А.З. Волынец, Г.Н. Еременко; Кишинев, 1973.

18. Воскобойников, В.А. Сушеные овощи и фрукты / В'.А. Воскобойников, В.Н. Гуляев, З.А. Кац. -М.: Пищевая промышленность. 1980; - 190 с.

19. Гинзбург, A.C., Громов М.А., Красовская А.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник.- 3-е., доп. и перераб. М. :' Агропромиздат, 1990.-287 с.

20. Гинзбург, И.А. Исследование процесса сублимационной сушки экстракта чая : автореф. дис. . канд. техн. наук / И.А. Гинзбург. -МТИПП, М., 1972.-22 с.

21. Гинзбург, A.C. Основы.теории и техники сушки пищевых продуктов / A.C. Гинзбург. -М. : Пищевая промышленность. 1973. - 528 с.

22. Гинзбург, A.C. Оборудование для сублимационной сушки пищевых продуктов / A.C. Гинзбург, Б.М. Леховицкий. М.: ЦНИИТЭИ, 1970. 271 с.

23. Головкин, H.A. Холодильнаятехнология пищевых продуктов / H.A. Головкин. -М., 1984. -239 с.

24. Гореньков, Э.С. Оборудование консервного производства: переработка плодов и овощей : справочник / Э.С. Гореньков, B.JI. Бибергал. М. : Агропромиздат, 1989. - 256 с.

25. Гореньков, Э.С. Технология консервирования / Э.С. Гореньков, А.Н.

26. Горенькова, Г.Г. Усачева. М. : Агропромиздат, 1989. - 256 с.

27. ГОСТ 23493 79. Картофель. Термины и определения. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 26 с.

28. ГОСТ 7194-81. Картофель свежий правила приемки и методы определения качества. М. : Изд-во стандартов, 1991. - 16 с.

29. ГОСТ 26832 80. Картофель свежий для переработки на продукты питания. - М.: Изд-во стандартов, 1991.- 4 с.

30. ГОСТ 27572-87. Яблоки свежие для промышленной переработки. М. : Изд-во стандартов, 1995. - 12 с.

31. Горшков, И.К. Исследование процесса сублимационной сушки при интенсивном энергоподводе от электротермических генераторов с целью создания высокопроизводительного оборудования : автореф. дис. . канд. техн. наук / И.К. Горшков. МИХМ., 1980. - 16 с.

32. Горяев, A.A. Перспективы применения токов высокой частоты для камерной сушки / A.A. Горяев // Актуальные направления развития сушки: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции. 10-12 сент. 1980 г. Архангельск, 1980. - С. 42-45.

33. Горяев, A.A. Вакуумно диэлектрические сушильные камеры / A.A. Горяев. — М. : Лесная промышленность. - 1985. - 104 с.

34. Грубы, Я. Производство замороженных продуктов / Я. Грубы. М. : Агропромиздат, 1990.-335с.

35. Гуйго, Э.И. Исследование и разработка методов интенсификации сушки пищевых продуктов : автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1968 - 32 с.

36. Гуйго, Э.И. Сублимационная сушка в пищевой промышленности / Э.И. Гуйго, Н.К. Журавская, Э.И. Каухчешвили. М. : Пищевая промышленность. - 1972. - 433 с.48