Системный подход к исследованиям процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

66.047.791.1

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЯМ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ . ..

ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

А.А. БУЙНОВ ,

Астраханский государственный технический университет

Использование пеносушилок при производстве сухих продуктов биологического происхождения представляется перспективным. По качеству обезвоживания эти сушилки приближаются к сублимационной сушке, а энергозатраты сопоставимы с распылительной сушкой при гораздо меньших габаритах аппаратного оформления.

Вследствие физико-химических процессов вспенивания на круг продуктов, обезвоживаемых методами пеносушки, накладываются ограничения. Технология сушки пищевых продуктов во вспененном состоянии достаточно наукоемка, как машинная технология требует значительных затрат на аппаратное оформление в комплексе задач переработки сырья и получения качественных продуктов. Отечественные исследования сушки продуктов во

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТА КАК ОБЪЕКТА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Физико-химические свойства жидкого продукта

іІовгрх-ностиое натяжение

Кратиигтв Стабиль- Дмс!1«рс . Рроаогмя Статические сорбцииамые

пен ность пен ность пен жидкости и пенье характеристики (изотермы сорбции. ДССОрбумн)

Рациональные способы и режимы вспенивания

ЛярОЛИН&МасГеСХХЙ

Перемешивание Вибрацншшын Составляющие Т ермидниамнчеехке

уравнейвя коэффициенты

Гиббса- м агсскі е ре к оса

Гельигольуа

Т ермовлагообменные

свойства

і:

Теллофняичесхме свойства, тс|тирадиауиовЕ1ы« характеристики

Термодинамика взаимодействия продукта с водой

Составляющее

внутреннего

массонереноса

КИНЕТИКА ПЕНОСУШКИ

Экспериментальные исследования

Выбор способа ПЄ5Іосушкн

сплошной

жгуты,

спагег-

мапылекие

кратер» *

ровакне

Аналитические исследования

Выбор способа анерголадвода

кокдукт

ик

СВЧ

Оптнмнзодкя процесса по долевым функциям

МйКСИМК'

зауня

ЛрОШ'ТИ

Энерге-

тическая

Стоимост-

КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ

Конструирование и расчет устройств для генерирования пенном структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности пеносушилок Конструирование и расчет сушильных установок

П г нон1 мера?ор Устройств для нанесения пены и а рабочие поверхности Устройствм Для съегнд сухого продукт» Квмегруириныше сушильном установки Вспомогательное оборудование

ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ

Для продуктов Вез добавления ПАВ

ТеЖНОАСГНЯ н режимы подготовки продукта к венос^-шхс

Технологий яспенкваняя к рихкмъэ работы »еяоге»краторсз

Для продуктов с добавленном ПАВ

Т ехяологмческие

операции к режимы прокси сунжн

Технология, режимы храаіення н упаковки сухого продукта

ВСПЄ1

[1-7

Сс

меня

ки п

СВОЙ!

и опт ве — офор] ся вь зико-отрая идеа; жива в про

ЛЄД0Е

тельв

ного

стемс

качес

на вх

квалі

наде;

задач

сушк

состо

следо

му).

Каз рым ! тоды.

Бл<

прод)

ЛИ30Ї

фи

(пове

ность

В0ЧНІ

тер

бциоі

М0ПЛІ

прод)

ф?

иссле

зован

шени

ХИМИ1

М0ВЛІ

ния.

дукто

аналв услов ния -ния > пен, I за сч( В заві следо: дачи, обход из пе влаги, жимн ность

♦7.791.1

?в

ов вспе-

мых ме-ичения. 1спенен-машин-трат на перера-Здуктов. гктоъ во

цнс

ТО

[ОСЯ

вспененном состоянии представлены в работах [1-7].

Согласно методологическим принципам современной технологии исследования процессов сушки проходят по схеме: от детального изучения свойств продукта к выбору рационального метода и оптимального режима обработки и на этой основе — к наиболее эффективному аппаратурному оформлению процесса [8, 9]. Пеносушка отличается высокой чувствительностью к колебаниям физико-химических свойств исходных продуктов, что отражается на выходе процесса в диапазоне от идеального до неприемлемого. Это основной сдерживающий фактор внедрения методов пеносушки в производство. Генеральной целевой задачей исследований должно являться уменьшение чувствительности процессов пеносушки за счет достаточного уровня изучения системоразрушающих и системосохраняющих факторов, количественных и качественных диапазонов их колебаний, допусков на входы и выходы отдельных процессов, создание квалиметрического банка данных для обеспечения надежной работы оборудования. Решению этой задачи может способствовать изучение процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии в рамках структуры, группирующей исследования по четырем основным блокам (см. схему).

Каждый блок состоит из направлений, по которым разрабатываются отдельные аспекты или методы.

Блок исследований физико-химических свойств продукта как объекта обезвоживания может реализоваться в двух направлениях:

физико-химические свойства жидкого продукта (поверхностное натяжение, кратность, стабильность и дисперсность пен, вязкость, влияние добавочных ПАВ и т.д.);

термовлагообменные свойства (статические сорбционные характеристики, теплофизические, термопластические, терморадиационные свойства продукта в процессе обезвоживания).

Физико-химические свойства продукта должны исследоваться с прагматической целью их использования в конструкторских и технологических решениях процессов сушки. Сюда относятся физикохимические свойства жидкого продукта и его термовлагообменные свойства в процессе обезвоживания. Реологические характеристики жидких продуктов и образованных из них пен необходимо анализировать в зависимости от температурных условий и концентрации, процесс пенообразова-ния — от выбранного способа, кинетику истечения жидкости из пен, кратность и стабильность пен, механизм устойчивости пенной структуры — за счет различных физико-химических эффектов. В зависимости от общетеоретической глубины исследований могут возникнуть дополнительные задачи. На стадии высокой влажности продукта необходимо оценить кинетику истечения жидкости из пенной структуры и механизм перемещения влаги, что даст возможность оптимизировать режимные параметры, обеспечивающие стабильность пенной структуры продукта при сушке с

минимизацией либо исключением добавочных ПАВ.

Необходимо обосновать выбор или отсутствие добавочных ПАВ, стабилизирующих веществ для повышения устойчивости пенной структуры в процессе сушки, а также физико-химические критерии пригодности конкретного продукта к условиям сушки во вспененном состоянии (концентрация, вязкость, кратность и стабильность пен и условия их определения). Параллельно проводятся поисковые исследования возможности методов пеносушки для конкретного продукта.

Цель исследований физико-химических свойств жидкого продукта:

разработка объективных критериев пригодности конкретного продукта к пеносушке и факторов, влияющих на процессы пенообразования и стабилизации пенной структуры;

разработка рациональных способов и режимов вспенивания;

получение исходных данных для разработки и конструирования пеногенераторов и устройств для нанесения вспененного продукта на рабочие поверхности пеносушилок.

Для теоретического обоснования механизма обезвоживания основными являются экспериментальные исследования активности связанной воды, а также анализ термодинамики процессов внутреннего массопереноса во всем рабочем диапазоне температур и влажностей продукта. При этом можно получить качественную и количественную информацию о продукте как объекте обезвоживания, видах и величинах энергии связи влаги с материалом, термодинамических составляющих уравнения Гиббса—Гельмгольца, температурных и термоградиентных коэффициентах массопереноса. Это позволяет оценить гигроскопичность продукта, движущие силы при обезвоживании, области целесообразности того или иного вида энергоподвода при сушке. В эту же группу можно отнести исследования продукта как объекта поглощения И К или СВ^-энергоподвода.

Цель исследований термовлагообменных свойств продукта в процессе обезвоживания: получение статических характеристик активности воды в продукте (изотермы сорбции, десорбции);

оценка видов и величин энергии связи влаги с материалом;

механизм внутреннего массопереноса по термодинамическим коэффициентам;

получение исходных данных для разработки и конструирования сушилок, выбора энергетических режимов и оптимизации работы (теплофизические коэффициенты, терморадиационные характеристики в процессе обезвоживания).

Результатом разработки этих направлений являются рациональные способы и режимы вспенивания; термодинамический механизм массопереноса, теплофизические и терморадиационные характеристики взаимодействия продукта с водой.

Блок исследования кинетики пеносушки может реализоваться в направлении экспериментальных или аналитических исследований, имеющих целью оценку влияния основных факторов на процесс для его последующей оптимизации; определе-

ние эффективности процесса и составление его аппроксимирующей математической модели в зависимости от выбранной целевой функции, способа пеносушки и энергоподвода.

Аналитические исследования, проведенные молекулярно-кинетическим или термодинамическими методами, способствуют составлению корректного универсального математического описания кинетики процесса сушки.

Результатом осуществления этих направлений являются:

выбор и разработка способа пеносушки (сплошной тонкий слой, ’’спагетти”, напыление, ’’крате-рирование” и т.п.);

выбор способа энергоподвода (конвективный, кондуктивный, комбинированный, ИК, СВЧ);

математические модели процессов внутреннего и внешнего массопереноса;

оптимизация процесса по различным целевым функциям (максимизация производительности, энергетическая и стоимостная минимизация, качественные показатели продукта).

Блок конструирования агрегатов и узлов может реализоваться в двух направлениях:

конструирование и расчет устройств для генерирования пенной структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности пеносушилок;

конструирование и расчет сушильных установок.

При этом возможны два методологических подхода: разработка принципиально новых конструкций, обоснование которых базируется на комплексе исследованных свойств, и создание устройств для генерирования пенной структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности сушилок известных конструкций (конвективные, кондуктивные, ИК, СВЧ, ленточные, тросовые, вальцевые, вакуумные и т.д.).

Цель конструирования агрегатов и узлов: разработка конструкций пеногенераторов, устройств для нанесения пены на рабочие поверхности, собственно сушильных установок, систем транспорта в них, вспомогательных устройств и др.

Результатом разработки этих направлений является создание чертежей и технологической документации для изготовления сушилок и вспомогательного оборудования.

Блок технологии сушки может реализоваться для обезвоживания продуктов либо по известной рецептуре без добавления ПАВ, либо методами пеносушки с добавлением ПАВ.

В блоке технологии сушки для унифицированного ведения процесса по каждому продукту разрабатываются:

технологические операции получения сухого продукта и их последовательность;

рецептуры натуральных продуктов либо продуктов с добавлением ПАВ (пеностабилизаторов) для обеспечения достаточно стабильной пенной структуры, режимов работы пеногенераторов, снижающих чувствительность процесса сушки к колебаниям физико-химических свойств жидких продуктов; технологические режимы процесса сушки; технологические операции хранения и упаковки сухого продукта с использованием методов гранулирования, пластификации и т.п.

Результатом реализации блока технологии сушки являются технологическая документация по организации получения готового сухого продукта, а также технологические программы для кибернетизации этого процесса и управления агрегатами в зависимости от изменяющихся свойств продукта, целевых задач, условий обезвоживания.

ВЫВОД

Изучение процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии в рамках предложенной структуры позволит определить направления и логику исследований, получить системный материал, необходимый для обеспечения создания надежных машинных технологий и теории процессов сушки.

ЛИТЕРАТУРА : '

1. Получение яблочного порошка методом пеносушки / Е.З. Секей, Э.И. Хорошая и др. / / Консервная и овощесушиль-ная пром-сть. — 1978. — № 9. — С. 19-21.

2. Буйнов А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И. Механизм конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов во вспененном состоянии // ИФЖ. — 1982. — 43. — С. 95-100.

3. Метод получения сухих концентратов для приготовления пива и кваса / В.В. Красников, В.И. Сыроедов, С.Г. Османов и др. // Ферментная и спиртовая пром-сть. — 1983. — № 6. — С. 14-17.

4. Казиахмедов М.Н. Интенсификация процесса сушки пищевых продуктов в пенообразном состоянии: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М., 1983. — 18 с.

5. Аминова Э.М. Интенсификация и исследование процесса пеносушки пастообразных продуктов при комбинированном энергоподводе: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М.Л986, — 23 с.

6. Буйнов А.А., Алексанян И.Ю., Рогов И.А., Агеенко И.С. Обоснование выбора ЯХ-генераторов для сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии / Совершенствование оборудования для обработки объектов морского промысла. — Калининград: КТИРПХ, 1988. — С. 21-31.

7. Способ получения сухих томатных продуктов / И.Ю.Алек-санян, А.А. Буйнов, Е.Д. Кромский. — Пат. 1805876 СССР. — Опубл. в Б.И. — 1993. — № 12.

8. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая пром-сть, 1973. — 528 с.

9. Панфилов В.А. Системный подход к проблеме развития машинных технологий в перерабатывающих отраслях / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1995. — № 1-2. — С. 98-100.

Кафедра технологии рыбных продуктов Поступила 13.03.97 ,

ИЗВЕС

ЮТ. I В.В. К

Кубане АО Крс

Для

СОВ X

аппар

личес

произ

Новая

позво.

ОЧИСТ]

мерам масел ных в СИНТЄ1

В н тивно

ТЄСНЄ]

верти: Реп. траци. уравн редачі еделаї канал; харак" сти П| Обо вноси газом; мые и Расс кой (| поток

где

Сост

ЖИДКО]