CC BY
8
УДК 664.97, 664.959.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ТЕРМОРАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВСПЕНЕННОГО РАСТВОРА ЖЕЛАТИНА ИЗ ОТХОДОВ
ПЕРЕРАБОТКИ РЫБЫ
А. В. Макаров, Ю. А. Максименко, Э. П. Дяченко
STUDY OF OPTICAL AND THERMORADIATION CHARACTERISTICS OF A FOAM SOLUTION OF GELATIN FROM FISH PROCESSING WASTE
A. V. Makarov, Yu. A. Maksimenko, E. P. Dyachenko
Экспериментально-аналитически исследованы оптические и терморадиационные характеристики вспененного раствора желатина из отходов переработки рыбы как объекта инфракрасной (ИК, радиационной) сушки при двустороннем энергоподводе. Расчет оптических и терморадиационных характеристик исследуемого продукта проводился с использованием метода усредненных оптических и терморадиационных характеристик на основе эмпирических данных о направленно-полусферических терморадиационных характеристиках Rx и Tx, полученных на многофункциональном спектрофотометре PHOTON RT. В результате исследований и расчетов для вспененного раствора желатина найдены зависимости коэффициента эффективного ослабления потока излучения по мере распространения в оптически бесконечно толстом слое L, м-1, и распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя W, Вт/м3, от влажности продукта w, кг/кг, и координаты толщины пенослоя x, м. Выполнен анализ зависимости распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя от координаты толщины слоя и влажности продукта. В результате экспериментально-аналитического изучения оптических и терморадиационных характеристик вспененного раствора желатина с учетом объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине слоя выбраны инфракрасные излучатели, режимы их работы, в том числе оптимальный диапазон длины волны X, мкм, соответствующий максимальной интенсивности излучения и максимальной пропускательной способности продукта, а также оптически тонкий слой h, м, наиболее рациональный для высокоинтенсивной сушки.
сушка, желатин, инфракрасный энергоподвод, терморадиационные характеристики, оптические характеристики, отход переработки рыбы, пена
The optical and thermoradiation characteristics of the foamed gelatin solution from fish processing waste as an object of infrared (radiation) drying with bilateral energy supply have been experimentally and analytically studied. Calculation of the optical and thermal radiation characteristics of the test product has been carried out using the method of averaged optical and thermal radiation characteristics based on empirical data on the directional hemispherical thermal radiation characteristics RX and TX obtained on a PHOTON RT multifunction spectrophotometer. As a result of the research and cal-
culations for a foamed gelatin solution, the dependences have been found of the coefficient of effective attenuation of the radiation flux as it propagates in the optically infinitely thick layer L, m-1 and the distribution of the bulk density of the absorbed radiation energy over the depth of the optically thin layer W, W/m3 on the product moisture w, kg/kg and coordinates of the thickness of the foam layer x, m. An analysis has been made of the dependence of the distribution of the bulk density of the absorbed radiation energy over the depth of the optically thin layer on the coordinates of the layer thickness and product moisture. As a result of an experimental-analytical study of the optical and thermo-radiation characteristics of the foamed gelatin solution, taking into account the bulk density of the absorbed radiation energy along the depth of the layer, infrared emitters have been selected, their operating modes, including the optimal wavelength range X, pm, corresponding to the maximum radiation intensity and maximum transmittance of the product, as well as an optically thin layer h, m, the most rational for high-intensity drying.
drying, gelatin, infrared energy supply, thermoradiation characteristics, optical characteristics, fish processing waste, foam
ВВЕДЕНИЕ
Желатин широко используется в различных отраслях пищевой и химической промышленности. Отечественный рынок коллагена насыщен импортной продукцией, что обусловливает актуальность создания и развития новых производств сухого желатина, в том числе на основе нетрадиционных перспективных источников сырья, одним из которых являются богатые коллагеном отходы переработки рыбы. Однако широкое внедрение технологий производства желатина на основе отходов рыбопереработки сдерживается отсутствием научно обоснованных ресурсо- и энергосберегающих технических решений, создание которых представляет собой актуальную научно-техническую задачу и позволит усовершенствовать существующие и создать новые промышленные производства сухого желатина из нетрадиционного коллагенсодержащего сырья.
Заключительная и одна из наиболее энергоемких стадий производства сухого желатина - сушка желатинового раствора (бульона), которая традиционно реализуется конвективным методом [1-3].
С учетом структурно-механических и пеноструктурных характеристик желатинового раствора перспективным направлением совершенствования процесса получения сухого желатина является инфракрасная сушка во вспененном состоянии [4, 5]. В сравнении с традиционными методами сушки объемный инфракрасный энергоподвод обладает рядом преимуществ, способствующих энерго- и ресурсосбережению, повышению безопасности и упрощению аппаратурного оформления процесса [6, 7].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для комплексного исследования продукта как объекта инфракрасной сушки, моделирования процесса и проектирования инфракрасных сушилок, в том числе обоснованного выбора излучателей, необходимо изучение терморадиационных и оптических характеристик продукта. Знание указанных характеристик позволяет более точно понять и смоделировать физико- и биохимические измене-
ния продукта в процессе сушки, а также подобрать рациональные режимы работы сушильного аппарата.
Целью настоящих исследований являлось определение терморадиационных и оптических характеристик вспененного раствора желатина из отходов переработки рыбы как объекта инфракрасной сушки, в том числе зависимостей коэффициента эффективного ослабления L, м-1, и распределения внутреннего объемного источника поглощенной энергии по толщине пенослоя продукта W, Вт/м3, от влияющих параметров. Коэффициент L, м-1, численно равен обратной величине глубины слоя и характеризует ослабление теплового потока по мере его распространения в оптически бесконечно толстом слое [7, 8].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
С целью проведения исследований использовали метод усредненных терморадиационных и оптических характеристик [7, 8], а также эмпирические данные о направленно-полусферических терморадиационных характеристиках RX и TX для продукта известной толщины и влажности.
Образцы пенослоя желатинового бульона готовились по методике [4] из полученных при разделке отходов переработки рыб частиковых пород Астраханского региона (кожа, чешуя, кости, плавники, хрящи). Зависимости спектральных направленно-полусферических терморадиационных характеристик Rx и Tx пенослоя желатинового бульона от длины волны инфракрасного диапазона X, мкм, были получены с использованием многофункционального двухлучевого сканирующего спектрофотометра PHOTON RT и литературных данных [7, 8] для диапазонов влажности 0,14<w<0,85 кг/кг, толщины пенослоя 0,002<h<0,004 м и инфракрасной области спектра 1<X<2 мкм.
Нижний предел диапазона влажности исследуемого продукта обусловлен требованиями к качеству сухого желатина ГОСТ 11293-89 «Желатин. Технические условия», верхний предел ограничен пеноструктурными характеристиками и технологией получения желатина. Диапазон толщины пенослоя h, м, был выбран на основе результатов экспериментальных исследований конвективно-радиационной сушки вспененного бульона желатина [9], а диапазон инфракрасной области спектра 1<X<2 мкм - исходя из анализа литературных данных [7, 8] и технической возможности экспериментального определения направленно-полусферических терморадиационных характеристик.
Расчет интегральных оптических характеристик выполнялся на базе данных о направленно-полусферических Rx и Tx и рассчитанных на их основе спектральных двуполусферических терморадиационных характеристиках желатина Rxj и Td для исследуемых диапазонов инфракрасной области спектра, влажности и толщины пенослоя [7, 8].
Выбор и обоснование оптимальных режимов работы инфракрасного излучателя осуществлялся по принципу сопоставления его эмиссионных характеристик со спектральными терморадиационными и оптическими характеристиками обезвоживаемого пенослоя желатинового бульона [7, 8]. При этом для обеспечения объемного инфракрасного энергоподвода при облучении пенослоя определялся диапазон длин волн инфракрасного спектра, на эмпирических спектральных зависимостях в пределах которого продукт имел наименьшую отражательную способность и значительную проницаемость [7, 8].
Зависимость распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого пенослоя желатина W=f(х,w), Вт/м3, рассчитана (для диапазонов координаты толщины слоя х = 0...0,004 м и влажности продукта w = 0,14.0,85 кг/кг) по следующей формуле, предложенной в работе [7] для случая двустороннего инфракрасного энергоподвода:
ехр(— Ь(м>, х )• х ) — Ж(х,w) = ь(х,Еп1 — ""(М) у2(м,х) , , +
+
L(h - х, w)• Еп
1 — у2 (w, х) 1 — R „(w)
1 — у2 (w, h — х)
exp(L(w, х)^ х)
R „(w) _
exp(— L(w, h — х) • ( h — х)) — (w , h — х)
(1)
у2 (w
R „(w)
exp(L(w, h — х) • ( h — х))
где Е„1=Е„2 - плотность падающего теплового потока c одной стороны пенослоя, Вт/м2, определенная в результате экспериментальных исследований [5];
- спектральная отражательная способность оптически полубесконечного слоя; W= R„ (w) • exp(— L(w, х) • х).
Указанная зависимость необходима для реализации физико-математической модели и численного расчета температурных полей в пенослое желатина в процессе инфракрасной сушки, а также для оценки эффективности инфракрасных излучателей [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1 и 2 приведены примеры значений направленно-полусферических терморадиационных характеристик Rx и Tx в спектральном диапазоне 1<Х<2 мкм, полученных с использованием спектрофотометра PHOTON RT для пенослоя желатина различной толщины h, м, и влажности w, кг/кг.
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 I, мкм
Рис. 1. Отражательная Rx и пропускательная Tx способности слоя вспененного раствора желатина при толщине пенослоя hH =4 мм и влажности продукта
wH = 0,14 кг/кг
Fig. 1. Reflective RX and transmittance TX power of the layer of the foamed gelatin solution with a foam layer thickness hH =4 mm and product moisture content
Wh = 0,14 kg / kg
0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 X, мкм
Рис. 2. Отражательная Rx и пропускательная T способности слоя вспененного раствора желатина при толщине пенослоя hH =2 мм и влажности продукта
wH = 0,75 кг/кг
Fig. 2. Reflective Rx and transmittance T power of the layer of the foamed gelatin solution at the foam layer thickness hH =2 mm and the product humidity
Wh = 0,75 kg / kg
На основе результатов экспериментального определения терморадиационных характеристик и расчетов получены следующие экспериментально-аналитические зависимости оптических характеристик для процесса сушки вспененного раствора желатина с начальной влажностью wh = 0,85 кг/кг и толщиной пенослоя hH = 0,004 м при двустороннем инфракрасном энергоподводе:
- отражательной интегральной способности оптически полубесконечного слоя Ray(w) от влажности продукта w, кг/кг:
RJw) = 0,2628 • w + 0,0511; (2)
- коэффициента эффективного ослабления потока излучения по мере распространения в оптически бесконечно толстом слое L, м-1, от влажности продукта w, кг/кг, и координаты толщины слоя х = 0.. .0,004 м:
L(w,x) = (-7,1707104w -8,5285 10) x + 546,7213w + 1,1411103 . (3)
Зависимость распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого пенослоя желатина W=fx,w), Вт/м , рассчитана по формуле (1) с использованием полученных уравнений (2) и (3). Она действительна в диапазонах координаты толщины слоя х = 0.0,004 м и влажности продукта w = 0,14.0,85 кг/кг.
На рис. 3 изображено полученное с использованием программного обеспечения Mathcad поле значений распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя х = 0.0,004 м в диапазоне w = 0,14.0,85 кг/кг.
Характер распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по толщине пенослоя желатина (рис. 3) при двустороннем инфракрасном облучении типичен для большинства биополимеров [5, 7]. При w const зависимость W=f(x) имеет вид параболы с минимумом в точке экстремума, соответствующей середине толщины пенослоя. Снижение объемной плотности поглощенной энергии излучения при перемещении теплового потока от поверхности к сердцевине пенослоя связано с постепенным поглощением энергии продуктом. Уменьшение влажности продукта также обусловливает равномерное уменьшение объемной
плотности поглощенной энергии, что закономерно и объясняется сокращением количества молекул воды, поглощающих энергию излучения, а также увеличением пропускательной и отражательной способностей биополимерного каркаса, образующегося в процессе обезвоживания.
Рис. 3. Поле распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения W(x,w) по толщине пенослоя желатина с влажностью w = 0,14.0,85 кг/кг в диапазоне координаты толщины слоя х = 0.0,004 м при двустороннем
инфракрасном энергоподводе Fig. 3. The field of the distribution of the bulk density of the absorbed radiation energy W(x,w) over the thickness of the gelatin foam layer with humidity w = 0,14.0,85 kg / kg in the range of the coordinate of the layer thickness х = 0.0,004 m with a two-sided infrared energy supply
Экспериментально-аналитическое исследование терморадиационных и оптических характеристик пенослоя желатина, в том числе объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине слоя, позволило с учетом ранее полученных экспериментальных и литературных данных [7-10] принять следующие технические решения в рамках разработки рациональных режимов процесса инфракрасной пеносушки раствора желатина:
- в качестве инфракрасных излучателей - генераторы типа КГТ (КИ, КГ)-220-1000;
- оптимальный диапазон длины волны ИК- излучателей Л,=1,01...1,11 мкм, соответствующий максимальной интенсивности излучения, определяющей напряжение на генераторах U= 220 В [7], и максимальной пропускательной способности продукта. Ввиду небольшого диапазона варьирования длины волны в рациональном режиме нецелесообразно включать ее как независимый фактор при дальнейших исследованиях;
- оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной сушки h < 0,004 м.
Использование генераторов КГТ-220-1000 в качестве инфракрасных излучателей в процессе сушки вспененного раствора желатина в равных условиях более эффективно в сравнении с применением аналогов, например, нихромовых спиралей в кварцевых трубках при одних и тех же тепловых потоках, что подтверждено результатами анализа литературных данных, а также экспериментальными исследованиями кинетики радиационно-конвективной сушки желатинового бульона из отходов переработки рыбы [5, 7, 9]. Генераторы КГТ-220-1000 в сравнении с металлическими и керамическими инфракрасными излучателями создают относительно высокие тепловые потоки и обладают меньшей тепловой инерцией, что упрощает проектирование сушильной техники [7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, с использованием эмпирических данных, полученных на спектрофотометре PHOTON RT, и метода усредненных оптических и терморадиационных характеристик были исследованы терморадиационные и оптические характеристики вспененного желатинового бульона из отходов переработки рыбы как объекта сушки при двустороннем радиационном энергоподводе. Экспериментально-аналитически получены зависимости отражательной интегральной способности оптически полубесконечного слоя коэффициента эффективного ослабления потока излучения по мере распространения в оптически бесконечно толстом слое L, м-1, и распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя W, Вт/м , от влажности w, кг/кг, и координаты толщины пенослоя x, м. Указанные зависимости действительны в следующих диапазонах: влажности исследуемого продукта 0,14<w<0,85 кг/кг; толщины пенослоя 0,002<h<0,004 м; инфракрасной области спектра 1<X<2 мкм. На основе результатов исследований выбраны инфракрасные излучатели, режимы их работы, а также оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной сушки. Полученные зависимости и выбранные технические решения могут использоваться с целью последующей разработки способа инфракрасной пеносушки желатинового бульона, реализации физико-математической модели и численного расчета температурных полей в пенослое желатина в процессе инфракрасной сушки, а также для проектирования сушильной установки, на которой осуществляют сушку желатина и подобных ему по комплексу свойств продуктов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Gelatin handbook. Gelatin manufacturers institute of America. - Written and produced by the members of GMIA. - 2019. 26 p.
2. Koen Egberts. Gelatin Drying Technology (Gelatin Dryer). [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gelatin.nl/home (дата обращения: 12.08.2019).
3. Технология производства желатина. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gelatin.by/partners/technology (дата обращения: 12.08.2019).
4. Пат. 2487152 РФ, МПК C09H 1/04, C09H 3/00, A23J 1/10. Способ производства желатина / Као Тхи Хуе, Дяченко Э. П.; заявл. 12.07.2011; опубл. 10.07.2013 Бюл. № 2.
5. Никулина, М. А. Совершенствование процесса инфракрасной сушки пищевой съедобной пленки: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 / Никулина Мария Александровна. - Санкт-Петербург, 2018. - 16 с.
6. Дяченко, М. М. Технология кормовой муки из мясокостных тканей тюленей / М. М. Дяченко, Н. П. Боева, Э. П. Дяченко // Труды ВНИРО. - 2017. -Т. 166 - С. 159-178.
7. Алексанян, И. Ю. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пено-сушка. Теория. Практика. Моделирование: моногр. / И. Ю. Алексанян, А. А. Буйнов. - Астрахань: АГТУ, 2004. - 380 с.
8. Ильясов, С. Г. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов / С. Г. Ильясов, В. В. Красников. - Москва: Пищ. пром-сть, 1978. -359 с.
9. Разработка рациональных режимов сушки при производстве желатина на основе отходов рыбопереработки / А. В. Макаров [и др.] // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. -2019. - № 2. - С. 56-232.
10. Ильясов, С. Г. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов / С. Г. Ильясов, В. В. Красников. - Москва: Пищ. пром-сть, 1972. - 175 с.
REFERENCES
1. Gelatin handbook. Gelatin manufacturers institute of America, Written and produced by the members of GMIA, 2019, 26 pp.
2. Koen Egberts. Gelatin Drying Technology (Gelatin Dryer), available at: http://gelatin.nl/home (Accessed 12 august 2019).
3. Tekhnologiya proizvodstva zhelatina [Gelatin production technology], available at: http://gelatin.by/partners/technology (Accessed 12 August 2019).
4. Pat. 2487152 RF, MPK C09H 1/04, C09H 3/00, A23J 1/10. Sposob proizvodstva zhelatina [Method for the production of gelatin]. Kao Thi Hue, Dyachenko E. P.; stated 12.07.2011; published 10.07.2013, newsletter № 2.
5. Nikulina M. A. Sovershenstvovanie protcessa infrakrasnoy sushki pishchevoy s"edobnoy plenki. Avtoreferat diss. kand. tekhn. nauk [Improving the process of infrared drying of edible film. Abstract of dis. cand. of techn. sci.]. Saint-Petersburg, 2018, 16 p.
6. Dyachenko M. M., Boeva N. P., Dyachenko E. P. Tekhnologiya kormovoy muki iz myasokostnykh tkaney tyuleney [Technology of flour fodder from meat and bone tissues of seals]. Trudy VNIRO, 2017, vol. 166, pp. 159-178.
7. Aleksanyan I. Yu., Buynov A. A. Vysokointensivnaya sushka pishchevykh produktov. Penosushka. Teoriya. Praktika. Modelirovanie [High-intensity drying of food products. Foam dryer. Theory. Practice. Modeling]. Astrakhan', AGTU, 2004, 380 p.
8. Il'yasov S. G., Krasnikov V. V. Fizicheskie osnovy infrakrasnogo oblucheniya pishchevykh produktov [Physical basics of infrared food irradiation]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1978, 359 p.
9. Makarov A. V., Maksimenko Yu. A., Aleksanyan I. Yu., Dyachenko E. P. Razrabotka ratsional'nykh rezhimov sushki pri proizvodstve zhelatina na osnove otho-dov rybopererabotki [Developing rational modes of drying gelatin broth from fish pro-
cessing waste]. Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK, produkty zdorovogopitaniya, 2019, no. 2, pp. 56-232.
10. Il'yasov S. G., Krasnikov V. V. Metody opredeleniya opticheskikh i ter-moradiatsionnykh kharakteristik pishchevykh produktov [Methods for determining the optical and thermoradiation characteristics of food products]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1972, 175 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Макаров Александр Викторович - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры технологии товаров и товароведения; E-mail: amxs1@yandex.ru
Makarov Aleksandr Viktorovich - Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer, Department of Technology of Goods and Commodity; E-mail: amxs1@yandex.ru
Максименко Юрий Александрович - Астраханский государственный технический университет; доктор технических наук, доцент; зав. кафедрой технологических машин и оборудования; E-mail: amxs1@yandex.ru
Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Technological Machines and Equipment; E-mail: amxs1@yandex.ru
Дяченко Эдуард Павлович - Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства - филиал Федерального научного центра овощеводства (г. Москва); кандидат технических наук; научный сотрудник Отдела технологий и инноваций;
E-mail: amed-nauka@yandex.ru
Dyachenko EduardPavlovich - All-Russian Research Institute of Vegetable Growing - branch of the Federal Scientific Center for Vegetable Growing (Moscow); Research Fellow, Technology and Innovation Division; E-mail: amed-nauka@yandex.ru
