Качество и энергозатраты в процессах вакуумного обезвоживания термолабильных материалов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

66.047.3.049.6

КАЧЕСТВО И ЭНЕРГОЗАТРАТЫ В ПРОЦЕССАХ ВАКУУМНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Г.В. СЕМЕНОВ, Е.В. БУДАНЦЕВ, М.С. БУЛКИН

Московский государственный университет прикладной биотехнологии,

109316, г. Москва, ул. Талалихина, 33; тел.: (495) 670-06-15, электронная почта: Semenov@msaab.ru

Рассмотрены альтернативные варианты вакуумного обезвоживания термолабильных материалов при различных давлениях, а также высушивание в условиях совмещения циклов сушки вакуумной на начальном этапе с последующей классической сублимационной сушкой. Даны оценки энергозатрат в этих процессах, а также оценки уровня сохранности нативных свойств продуктов.

Ключевые слова: вакуумная сушка, сублимационная сушка, функциональные свойства клейковины, гистологические характеристики.

Существуют различные классификации процессов и оборудования для сушки. В нашей работе в качестве классификационного признака выбрано давление, при котором осуществляется влагоудаление. В соответствии с этим мы выделяем три варианта обезвоживания. Первый - вакуумная сушка, предполагающая удаление влаги фазовым переходом жидкость-пар при давлениях 30-50 мм рт. ст. (4000-6000 Па). Второй - вакуумная сублимационная сушка, удаление влаги происходит посредством фазового перехода лед-пар при давлениях 0,1-0,5 мм рт. ст. (10-70 Па). Третий включает в себя совмещение предыдущих двух процессов влагоудале-ния в едином технологическом цикле. Известно, что наиболее широко применяемая в настоящее время технология сушки при атмосферном давлении предполагает длительный высокотемпературный контакт продукта с кислородом в составе воздушной среды. Это приводит к деформации высушиваемого материала, интенсивным окислительным реакциям и низкому качеству сухих продуктов. Поэтому в настоящее время широкое распространение получают вакуумная и сублимационная сушка. Недостатки вакуумной сублимационной сушки - это низкая интенсивность, высокие энергозатраты, сложное оборудование. В то же время, например, при производстве сухих легкорастворимых антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов, заквасок и ферментов, высушенных кисломолочных продуктов и т. п. сублимационная сушка пока не имеет альтернативы. Альтернативой сублимационной сушке в пищевой промышленности является вакуумная сушка при давлениях порядка 30-50 мм рт. ст., которая находит все большее применение за рубежом в технологиях производства быстрорастворимых фруктовых и овощных соков и пюре, готовых первых и вторых блюд. Некоторые группы продуктов вакуумной сушки по качеству сопоставимы с качеством сублимированных продуктов, тогда как затраты на удаление влаги существенно ниже, чем при сублимации. Согласно данным [1], вакуумная сушка обладает преимуществом по

показателям: растворимость, качество, вкус, возможность гранулирования, а также по цене продукта и оборудования.

Цель данной работы - сопоставление уровня качества высушенных продуктов при различных режимах процесса влагоудаления и оценка энергозатрат.

Как известно, процесс вакуумной сушки протекает при давлениях порядка 30-50 мм рт. ст. (4000-6000 Па) и щадящих температурных режимах, что является благоприятным условием для сохранности свойств объектов сушки. Режим вакуумной сушки жидких и пастообразных продуктов обеспечивает интенсивное влагоудаление. Результаты исследований и анализ полученных экспериментальных данных показали также ее достаточно высокую эффективность в обеспечении сохранности нативных свойств высушенных термолабильных материалов.

Для обеспечения корректных условий сравнения были проведены исследования процессов сушки в вакууме, а также в совмещенных режимах испарением в вакууме и последующей сублимацией в рамках одного цикла. Такие режимы обеспечивают наиболее благоприятные сочетания уровня качества и удельных затрат на влагоудаление. Объектами сушки были яблочное пюре, клейковина, рыбный фарш. Эксперименты проводили с использованием экспериментального стенда СВП-0,36, который сконструирован и изготовлен в МГУПБ, для исследования в лабораторных условиях процессов вакуумного обезвоживания широкого спектра жидких, пастообразных и твердых термолабильных материалов.

Задачи исследований:

определение содержания витамина С, поскольку оно является одним из значимых параметров качества для фруктовых и овощных продуктов; гистологические исследования структуры ткани;

определение функциональных свойств гидрализа-тов пшеничной клейковины - водосвязывающей, пенообразующей, жиросвязывающей, жироэмульгирую-

щей способностей, стабильности пены и эмульсии, содержания водорастворимого протеина;

определение химического состава и свойств рыбного фарша трески - органолептических показателей, коэффициента водопоглощения, энергетической ценности;

определение энергозатрат на 1 кг удаленной влаги для разных режимов обезвоживания на примере яблочного пюре.

Эксперименты проводили в трех различных режимах обезвоживания: 1 - вакуумной сушки при давлении 30-50 мм рт. ст. (4000-6000 Па), 2 - сублимационной сушки при давлении 0,1-0,5 мм рт. ст. (10-70 Па), 3 - совмещения этих двух процессов в рамках одного цикла. В каждом эксперименте удалялось различное количество влаги испарением в вакууме и сублимацией: в режиме 1 - 100% вакуумной сушкой, в режиме 2 -100% сублимацией, в режиме 3 - примерно в равных пропорциях.

Значения убыли массы влаги во времени фиксировались расположенными в сушильной камере электронными тензовесами и представлены в виде графиков на рис. 1 (для яблочного пюре). Для других рассмотренных объектов сушки тенденции убыли влаги аналогичны.

В ходе этапа вакуумного обезвоживанния жидкие и пюреобразные материалы вспениваются. Оперативно регулируя глубину вакуума, высоту слоя пены удерживали на уровне 25-35 мм. Слой пены формирует развитую поверхность, обеспечивает объемное испарение и высокую интенсивность обезвоживания. В целом испарение в вакууме всегда интенсивнее процесса сублимации. На представленных кинетических зависимостях наглядно видно более интенсивное удаление влаги в режиме кипения (испарения в вакууме), чем в режиме сублимации. Фазовый переход лед-пар по своей физической природе всегда при прочих равных условиях уступает интенсивности процесса испарения.

140

120

100

80

60

40

Вакуумная пушка

Совмещённ 1ЫЙ режим

А г\ 1 * \ ■ Сублимаци я

\\ \ \\ % \

1 • \ * \ \ 1 ч \

\ \ \ ч *4

N

Рис. 2

Определение содержания витамина С проводили в аккредитованном испытательном центре пищевого сырья, продуктов и упаковочных материалов «Биотест» МГУПБ. Согласно полученным данным, содержание витамина С в образцах, высушенных по режимам 1, 2, 3, составляло 61,4; 92,3; 36,4% от исходного соответственно.

Гистологические исследования продукта, высушенного различными режимами, проводили на атомно-силовом зондовом микроскопе Solver NEXT (рис. 2).

Анализ структуры ткани на уровне порядка нескольких микрометров показал, что после процесса обезвоживания в совмещенных в едином цикле процессах вакуумной и сублимационной сушки (режим 3) строение формы клетки и внутренняя структура сохранены (рис. 2, а). Однако межклеточное пространство незначительно изменилось относительно образца, высушенного сублимацией (рис. 2, б), принятого за эталон в данной группе экспериментов. Оно только несколько сузилось. Это позволяет сделать вывод, что обезвоживание в совмещенном режиме не приводит к значительному изменению структуры высушенного продукта, а остается на уровне, близком к исходному.

Эксперименты по сушке клейковины в режимах 2 и 3 (рис. 3: а и б соответственно) показали ее высокое качество в обоих вариантах.

Клейковина в вакууме достаточно хорошо и равномерно вспенивается (рис. 3, б), является удобным для такой сушки продуктом. Это объясняется тем, что по своей консистенции клейковина поддерживает объемную пенистую структуру за счет реологических свойств продукта. В данном случае это свойство клейковины дает возможность увеличить стабильность пены при меньших затратах на регулирование, обеспечение необходимых режимных параметров и приводит к

б

200

400 Время, мин

600

800

Рис. 1

Рис. 3

Таблица 1

Значение показателей клейковины, %, высушенной в paзличныx pежимax

Показатель 30 мин 60 мин 90 мин 120 мин

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

ВГС б7 58 б2 б9 45 42 б8 32 35 5б 43 37

ЖГС 130 б5 120 110 44 98 100 45 54 100 43 8б

ЖЭC 50 4б 50 49 42 50 5б 30 4б 58 14 43

CЭ 48 50 100 50 40 100 5б 32 81 51 20 78

TOC 183 218 205 200 230 210 200 243 223 21б 27б 24б

Cn 32 25 4б 28 2б 38 22 25 35 12 14 35

Рacтвopимocть 20 15 14 3б 24 24 45 32 31 б7 34 35

Примечание: ВСС, ЖСС, ЖЭС, ПОС - водосвязывающая, жиросвязывающая, жироэмульгирующая, пенообразующая способности; СП -стабильность пены; СЭ - стабильность эмульсии.

Таблица 2

Показатель

Cyблимaция

^вмещенный pежим

Влага, %

Жир, %

Зола, %

Белок, %

Вкус и запах

Цвет

Энергетическая ценность, ккал Коэффициент водопоглощения

7б,9

5

5,0

14,3

75,5

5.2

2.3 10,7

Свойственные данному виду рыбы До и после восстановления: светлый, бежево-серый

10б,5б

4,2

102,31

3,95

Результаты исследований рыбного фарша трески, высушенного по режимам 2 и 3, представлены в табл. 2. Все свойства и показатели рыбного фарша трески, высушенного в совмещенном режиме, находятся на уровне показателей фарша, высушенного сублимацией.

Были рассчитаны энергозатраты на 1 кг удаленной влаги для разных режимов обезвоживания на примере яблочного пюре. Расчет выполнили применительно к условиям сушки на установке производительностью 300 кг/цикл сушки. Данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

более интенсивному влагоудалению. Функциональные свойства клейковины, высушенной в различных режимах, приведены в табл. 1.

При сушке в совмещенном режиме достигнуты более высокие значения функциональных свойств гидролизованных белков сухой пшеничной клейковины по сравнению с вакуумной сушкой. Это относится ко всем функциональным свойствам, за исключением растворимости белков, значения которой не изменились относительно значений, полученных при классической сублимационной сушке.

Значения пенообразующей способности препаратов гидролизованных белков клейковины превышали на 10-12% значения аналогичного показателя гидролизатов, высушенных вакуумной сушкой. При сушке в совмещенном режиме высокие значения получены для жироэмульгирующей, водо-, жиросвязывающей способности и стабильности эмульсии, приготовленной с препаратами различной степени гидролиза. Если при двух других способах сушки стабильность эмульсий с гидролизатами белков, полученными за 120 мин составляла 20-51%, то для препаратов вакуумного обезвоживания в совмещенном режиме - 78-100%. Достаточно высокой была стабильность пены, независимо от времени гидролиза белков клейковины, - 35-46% против 12-32% для образцов, высушенных по режимам 1 и 2; тогда как растворимость не превышала растворимости гидролизатов, высушенных вакуумной сушкой.

Режим обезвоживания Вpемя сушки, ч Энеpгoзaтpaты на 1 кг удаленной влаги, кВт Качество продукта

1 7 2,321 Удовлетворительное

3 8 2,44б Очень хорошее

2 11,5 2,б78 Отличное

Результаты комплексных исследований показали, что обезвоживание в совмещенном режиме и сублимационная сушка обеспечивают применительно к исследованным продуктам сопоставимый уровень их качества. Совместное использование вакуумной и сублимационной сушки в различных сочетаниях дает возможность значительно сократить продолжительность сушки, что способствует интенсификации процесса. В условиях реального промышленного производства это позволяет обеспечить экономию энергозатрат на уровне 10-15%, а также получить сухие продукты со стабильным уровнем качества. Рекомендованные режимы двухстадийного вакуумного обезвоживания могут быть практически реализованы на крупных сублимационных установках отечественного производства. Такими установками, например, снабжен новый цех сублимационной сушки в г. Боровске Калужской области.

ЛИТЕРАТУРА

1. Super vacuum belt dryer // Hisaka Works, Ltd. 4,4 Chome, Hiranomachi. Higashi-Ku. Osaka 541, Japan, 1997.

Поступила 27.10.10 г.

QUALITY AND POWER INPUTS IN PROCESSES OF VACUUM DEHYDRATION

OF THERMOLABILEMATERIALS

G.V. SEMENOV, E.V. BUDANTSEV, M.S. BULKIN

Moscow State University of Applied Biotechnology,

33, Talalikhina st., Moscow, 109316;ph.: (495) 670-06-15; e-mail: Semenov@msaab.ru

Alternative variants of vacuum dehydration of thermolabile materials are considered at various pressures, and also drying in the conditions of combination of cycles of drying vacuum at the initial stage with the subsequent classical freeze drying. Estimations of power inputs in these processes, and also estimations of level of safety of food properties are given.

Key words: vacuum drying, freeze drying, functional properties of gluten, histologic characteristics.

бб3.551.4

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТАНОЛА

Л.М. ЛЕВАШОВА \ Т.А. УСТЮЖАНИНОВА \ Т.Г. КОРОТКОВА2, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ2

1 Майкопский государственный технологический университет,

352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: popova@maykop.ru 2 Кубанский государственный технологический университет,

350072, г. Краснодар, ул. Моковская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru

Обоснована экономическая целесообразность рекуперации теплоты вторичных паров выпаривания барды для обогрева колонн брагоректификационной установки и на стадии ферментативного разваривания.

Ключевые слова: брагоректификационная установка, энергосбережение, этанол, выпаривание барды, математическое моделирование.

Экономическим вопросам производства пищевого спирта в настоящее время уделяется значительное внимание. Большинство исследований и технических предложений по энергосбережению в технологии производства пищевого спирта посвящены раздельному анализу процессов разваривания, осахаривания, брожения, брагоректификации и упаривания фильтрата барды. Однако очевидно, что этот комплекс должен рассматриваться как единая система. Фирмы АпЬуйго [1] и Wiegand [2] рекомендуют использовать при производстве биоэтанола теплоту паров спиртовой колонны на стадии выпаривания, что проблематично при производстве пищевого спирта глубокой очистки. Компания «Бизнеспромэнерго» и китайские специалисты [3, 4] предлагают многокорпусные выпарные установки (МВУ), 3- и 5-корпусное выпаривание.

Инновационным и, на первый взгляд, кардинальным решением является применение вакуума с отгонкой спирта на стадии брожения [5], что позволяет решить проблему инактивации дрожжей. К сожалению, авторами [5] не освещены проблемы герметизации, механической прочности бродильных чанов под внешним давлением для установок большой производительности, не приведены затраты на откачку углекислого газа и на извлечение из него паров спирта.

Многие исследователи высказывают идеи о способах снижения количества технологической воды в производстве спирта, которые сводятся к следующему: исключить использование острого пара; повысить концентрацию сусла, а следовательно, крепость бражки; часть фильтрата бражки (до 30%) подавать на стадию разваривания; использовать работу бражной колонны под вакуумом. Если также учесть, что МВУ экономич-

нее сушки, и совместить разваривание, выпаривание барды и брагоректификацию [6] с оптимизацией рекуперации теплоты, то можно достичь существенных результатов.

Современный уровень технических решений по дроблению, развариванию, ферментации, термотолерантным дрожжам, брагоректификации позволяет поднять крепость бражки до 12% об.

Проанализируем на первом этапе исследования порядок величин энергопотребления раздельных стадий брагоректификации, выпаривания фильтрата бражки и ферментативного разваривания.

Во-первых, для установки производительностью 3000 дал/сут спирта и при обычной крепости бражки 7,5% об. (все расчеты проведены на суточную производительность и размерность расходов теплоты в ГДж/сут) количество бражки составит 400 м3/сут. Современное ферментативное низкотемпературное разваривание замеса является стадией, потребляющей тепловую энергию на температурном уровне 100°С в количестве порядка 130 ГДж/сут. Эта теплота перед брожением снимается в основном охлаждающей водой. В бражной колонне целесообразно поддерживать вакуум, чтобы удалить спирт из бражки при низкой температуре и при этой же температуре отделить на центрифуге дрожжи, сведя к минимуму их плазмолиз. Затраты теплоты на брагоректификацию составляют в бражной колонне 90 ГДж/сут. В эпюрационную и ректификационную колонны подводится 50 и 200 ГДж/сут соответственно. На выпаривание барды в 3-корпусной установке требуется порядка 250 ГДж/сут. В сумме основные затраты теплоты на разваривание и БРУ составляют 470 ГДж/сут и 250 ГДж/сут на выпаривание,