CC BY
8
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 664.8/.9.034
DOI 10.24412/2311-6447-2022-3-237-242
Исследование процесса сушки древесных опилок, применяемых для насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов
Investigation of the drying process of sawdust used to saturate the smoke aroma of extruded products
Профессор С.В. Шахов, профессор А.В. Журавлев, доцент И.Н. Сухарев, студент Л.А. Рябенко, студент Д.А. Мироненко
Воронежский государственный университет инженерных технологий, тел. 8(432)2555557, i. suxarev@yandex.ru
гл. науч. сотрудник Н.И. Мамсиров Майкопский государственный технологический университет
Professor S.V. Shakhov, Professor A.V. Zhuravlev, Associate Professor I.N. Sukharev, Student L.A. Ryabenko, Student D.A. Mironenko
Voronezh State University of Engineering Technologies, tel. 8(432)2555557, i.suxarev@vandex.ru
Chief Researcher N.I. Mamsirov Maykop State University of Technology
Аннотация. В настоящее время наблюдается стремительное развитие пищевой и перерабатывающей промышленности по всем отраслям, что является важным не только в масштабах Российской Федерации, но и мира. Разработка новых видов продукции, отвечающей требованиям и соответствующей современным новым прорывным технологическим решениям, является актуальной задачей в быстро развивающемся мире. Одним из перспективных направлений в этой области является расширение ассортимента продукта, путем разработки установки для насыщения ароматом дыма экстради-рованных продуктов, которая придает дополнительные вкусовые качества, увеличение срока хранения и выступает дополнительной обработкой для уменьшения бактериальной обсемененности продукта, полностью отвечает современным требованиям к пищевой и перерабатывающей промышленности. Стоит отметить, что экстрадированные продукты - это сбалансированные продукты быстрого питания, при этом они являются относительной новинкой для потребителей, и уже успели войти в сотню популярных товаров.
Abstract. Currently, there is a rapid development of the food and processing industry in all sectors, which is important not only on the scale of the Russian Federation, but also the world. The development of new types of products that meet the requirements of the modern consumer and corresponding new breakthrough technological solutions is an urgent task in a rapidly developing world. One of the promising directions in this area is to expand the product range by developing an installation for saturating the smoke aroma of extradited products, which gives additional taste qualities, increases shelf life and acts as an additional treatment to reduce bacterial contamination of the product fully meets modern requirements for the food and processing industry. It is also worth noting that the extradited products are a balanced fast food product, while it is a relative novelty for Russian consumers, and has already managed to enter the hundreds of popular products of the country.
Ключевые слова: экстрадированные продукты, дымогенерация, термо- и гидромеханическая обработка, теплоноситель, процесс экструзии
Keywords: extruded products, smoke generation, thermo- and hydro-mechanical treatment, coolant, extrusion process
Экструзионный процесс - один из самых перспективных и высокоэффективных, совмещающих термо- и гидромеханическую обработку сырья и позволяющий получить продукты с заранее заданными свойствами. Это достигается за счет управления исходным составом экструдируемой смеси и механизмом физико-химических, механических, биохимических и микробиологических процессов, протекающих при термопластической экструзии пищевых масс. Анализ тенденций развития производства экструдированных продуктов и их рынка сбыта показывает,
<£> Шахов С.В., Журавлев А.В., Сухарев И.Н., Рябенко, Л.А., Мироненко Д.А, Мамсиров Н.И., 2022
что данные пищевые продукты занимают важное место в рационе питания населения [2,4].
Получение экструдированных изделий из различного растительного сырья - одно из перспективных направлений производства качественных продуктов питания [3, 5]. Процесс экструзии отличается непрерывностью, универсальностью и возможностью полной автоматизации. С целью расширения ассортимента экструдированных продуктов проведены работы по разработке установки (рис. 1) для насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов.
6
2
4 1
Рис. 1. Установка для насыщения ароматом дыма экстрадированных продуктов: 1 - рама; 2 - коптильная камера; 3 - дъшогенератор; 4 - пульт управления; 5 -нагреватель; 6 - патрубок, соединенный с эжекторным вакуум-насосом; 7 - трубопровод для подачи дыма; 8 - датчик оптической плотности.
Установка для насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов включает в себя камеру электростатического копчения, установленную на раме 1, которая представляет собой герметичный корпус 2, сваренный из листовой стали, имеющий в верхней части крышку, через которую обеспечивается загрузка-выгрузка продукта, а также техническое обслуживание. На внутренних боковых стенках корпуса 2 закреплены коронирующие электроды в виде металлических игл, подключенных к высоковольтному генератору (не показан), позволяющему получать напряжение в диапазоне 15-45 кВ. Роль пассивного электрода выполняет продукт, к которому прикладывается высокое напряжение через подвес.
Установка снабжена дымогенератором 3 с пультом управления 4, в котором установлен индуктивный нагреватель 5. Крышка корпуса 2 соединена с эжекторным вакуум-насосом через патрубок 6. Для подачи в корпус 2 дымовоздушной смеси из дымогенератора 3 есть трубопровод 7, снабженный датчиком оптической плотности 8.
Установка для насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов снабжена современными средствами автоматического управления и контроля. Но стоит отметить, что воздушно-дымовая смесь, применяемая при копчении экструдированных продуктов, должна удовлетворять технологическим требованиям как по составу, так и по температуре, которая зависит от условий дымогенерации и от свойств древесных опилок.
Для проведения процесса дымогенерации опилки древесины лиственных пород по влажности должны отвечать требованиям ТУ 13-332-74 Сырьё древесное для копчения, т.е. доведены не менее чем до 45 % влажности. Для осуществления сухой
перегонки древесные опилки предварительно должны быть высушены, для чего их нагревают до температуры 180 °С, при которой выпаривается основная масса воды. Поэтому для проведения экспериментальных исследований процесса предварительного обезвоживания и выявления кинетических закономерностей процесса удаления влаги была использована смесь опилок с удельной поверхностью 9,0-12,0 м2/кг из следующих лиственных пород деревьев: дуб, орешник, клен, ольха, бук, береза без коры, ясень, тополь, осина, груша, липа, содержащих наименьшее количество смолистых веществ [6] и относительной влажностью 75 %.
Задачей исследования процесса сушки древесных опилок является изучение факторов, влияющих на скорость процесса сушки как с обычным составом смеси теплоносителя, так и с повышенным содержанием азота в воздушной смеси.
С целью интенсификации процесса сушки в экспериментальных исследованиях использовали инертный газ - азот. Для исключения влияния других интенсифицирующих факторов (перемешивания, комбинированных способов подвода энергии, обновления поверхности раздела фаз и т.д.) и определения эффективности использования неконденсирующихся инертных газов при конвективном энергоподводе для чистоты проведения исследований процесса кинетические закономерности предварительное обезвоживание древесных опилок осуществлялись на лабораторной экспериментальной установке (рис. 2).
Рис. 2. Экспериментальная установка для осуществления процесса сушки: 1. - сосуд Дью-ара; 2 - теплообменник; 3 -трехходовой клапан; 4 - насос; 5 - частотный преобразователь; б - кшюрифер; 7 - керамическая воронка; 8 - древесные опилки; 9 - датчик температуры; 10 - датчик влажности; 11- датчик скорости
В экспериментах сушка проводилась при нагреве опилок до температуры 180 °С, так как превышение данного значения температуры приводит к опасности возгорания опилок. Сушку проводили с обычным составом воздушной смеси теплоносителя и с повышенным содержанием азота в воздушной смеси теплоносителя при следующих режимных параметрах процесса: высота слоя опилок h = 20 мм, скорость теплоносителя и = 0,1-2,5 м/с .
Из анализа полученных кинетических зависимостей (рис. 3), как с обычным составом смеси теплоносителя, так и с повышенным содержанием азота в воздушной смеси теплоносителя, процесс обезвоживания древесных частиц характеризуется наличием явно выраженных периодов: прогрева, постоянной и падающей скорости сушки. В периоде постоянной скорости сушки происходит удаление из высушиваемого материала в основном свободной влаги, находящейся в полостях клеток и межклеточных пространствах, а в периоде падающей скорости сушки осуществляется удаление связанной влаги из клеток [2, 3, 5].
%
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100
90
80 70 60 50 40 30 20 10
О
1— 1 1
1 1 1
—
¡\ ь / -1/ г __/
1 л / /л— / 1/
1 - V Л
А Ч
ч /, \ \ ч
V \
1Г--3 *—■>-
5
4.5
4
3.5
3 а
2.5 ох
2 £
1.5 "О
6 8 10 12 14 16 18 20
и мин
1
0.5 О
Рис. 3. Кинетика процесса обезвоживания древесных опилок с различным составом воздушной смеси: 1-е обычным составом воздушной смеси теплоносителя; 2-е повышенным содержанием азота в воздушной смеси теплоносителя
Период удаления свободной влаги в древесных частицах заканчивается при изменении влажности от начального значения до критического Шкр [1, 4]. Этот показатель зависит от породного состава смеси древесных опилок и условий проведения процесса обезвоживания. Установленный уровень Шкр = 30 -50 % с достаточной для технологии сушки точностью можно принять при последующем моделировании процесса изменения влажности древесных частиц [7].
В периоде постоянной скорости сушки угол наклона кривых сушки с обычным составом воздушной смеси теплоносителя к оси абсцисс больше, чем для кривой сушки с повышенным содержанием азота в воздушной смеси теплоносителя, продуваемого через продукт, следовательно, скорость сушки увеличивается с применением азота.
Кривые, соответствующие периоду падающей скорости сушки, после точки перегиба выпуклостью к оси ординат с обычным составом воздушной смеси теплоносителя более «пологие», т. е. данный период является более продолжительным. В этот период эффект увеличения скорости сушки достигается за счёт того, что азот является транспортёром влаги, создавая с её парами ассоциативные группы, которые имеют большую подвижность в воздушной среде, чем отдельные молекулы воды и соответственно быстрее удаляются из слоя продукта. Т.е. молекулы азота играют роль переносчика молекул пара с поверхности древесной частицы в сушильную камеру и далее к поверхности конденсации. Кроме этого молекулы инертного газа «бомбандируют» продукт, ослабляя силы взаимодействия между молекулами в местах их попадания [8].
Из анализа результатов исследований кинетики процесса обезвоживания (рис. 4) древесных опилок с повышенным содержанием азота в воздушной смеси теплоносителя для разной скорости установлено, что при большей скорости теплоносителя увеличивается и скорость удаления влаги из древесных опилок. Однако при этом увеличение скорости опилок имеет свой предел, обусловленный возникновением уноса опилок (особенно мелкой фракции) с теплоносителем при его скорости больше 2,5 м/с.
W,„ %
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
£ 4
100 90
80
70 60 50 40 30
20 10
О
1
1
J
/
/
ч » « V"4 _ / / /
Й 3 / / / 1 / /
А / "Тт/ / \У / X / > / / У
/Y\ Л\ у \ V ——
У /л \ ч \/ •
/Л (/ // II/ У у \\ л
\ 1 i— >--
10 12 14 16 18 20
5
4.5 4
3.5
3
2.5 2
1.5 1
0.5 О
I
s
-4—•
ТЗ
5
"О
t, мин
Рис. 4. Кинетика процесса обезвоживания древесных опилок с повышенным содержание.м азота в воздушной смеси теплоносителя для разной скорости и, м/с: 1 - 2,5; 2 - 1; 3-0,5; 4-0,1
В процессе сушки наблюдается одновременно несколько физических процессов, происходящих в структуре древесных материалов. В то время как влажность древесины постепенно падает, температура частиц повышается и приближается к температуре осушающего агента. Поэтому с целью исключения возгорания легко-воспламеняемых мелкодисперсных составляющих смеси температуру теплоносителя, подаваемого в сушильное оборудование, ограничивают до безопасного уровня.
Таким образом, на основании проведенных исследований среди факторов, влияющих на скорость процесса сушки, необходимо выделить следующие результаты: температуру теплоносителя, продуваемого через слой опилок; относительную скорость его движения в процессе сушки; удельную площадь поверхности частиц древесных материалов, связанную с их размером; физические свойства материалов, подвергаемых сушке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Журавлев, A.B. Комплексный анализ эффективности хранения копченых рыбопродуктов, полученных в установке барабанного типа с наложением электростатического поля / A.B. Журавлев, С. В. Шахов, И. Н. Сухарев, С. Ю. Шубкин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2021. - № 1. - С. 166-180. - DOI 10.36107/ spfp.2021.199. - Текст: непосредственный.
2. Шубкин, С.Ю. Термодинамическая оценка эффективности процесса электростатического копчения мелкокусковых рыбопродуктов в пересыпающемся слое / С.Ю. Шубкин, С.С. Бунеев, C.B. Елецких, И.Н. Сухарев // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2021. -№ 4. - С. 168-179. - DOI 10.24412/2311-6447-2021-4-168-179. - Текст: непосредственный.
3. Журавлев, A.B. Комплексный анализ эффективности хранения копченых рыбопродуктов, полученных в установке барабанного типа с наложением
электростатического поля / А.В. Журавлев, С.В. Шахов, И.Н. Сухарев, С.Ю. Шуб-кин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2021. - № 1. - С. 166-180. - Текст: непосредственный. - Текст: непосредственный.
4. Воробьев В.И., Валуйская К.Б. Рыбные снеки - продукт функционального назначения [Текст] / В сб.: Инновации в индустрии питания и сервиса (HoReCa) // Материалы научно-практической конференции. А.Б. Кондратенко (отв. ред.); Западный филиал РАНХиГС. - 2016. - С. 22-26. - Текст: непосредственный.
5. Зотова, Л.В. Инновационные технологические решения в производстве сне-ковой продукции [Текст] /Л.В Зотова // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. - 2017. - № 5. - С. 224-233. - Текст: непосредственный.
REFERENCE
1. Kompleksnyj analiz jeffektivnosti hranenija kopchenyh ryboproduktov, polu-chennyh v ustanovke barabannogo tipa s nalozheniem jelektrostaticheskogo polja, A. V. Zhuravlev, S.V. Shahov, I. N. Suharev, S. Ju. Shubkin, Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja [Disinsection of grain mass in a strong electric field], 2021, No. 1, pp. 166180, doi 10.36107/spfp.2021.199 (Russian).
2. Termodinamicheskaya ocenka effektivnosti processa elektrostaticheskogo kop-cheniya mel-kokuskovyh ryboproduktov v peresypayushchemsya sloe, S. YU. SHubkin, S. S. Buneev, S. V. Eleckih, I. N. Suharev, Tekhnologii pishchevoj i pererabatyvayush-chej promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya [Thermodynamic evaluation of the efficiency of the process of electrostatic smoking of small-scale fish products in an interstitial layer], 2021, No. 4, pp. 168-179, doi 10.24412/2311-6447-2021-4-168-179 (Russian).
3. Zhuravlev A. V. Kompleksnyy analiz effektivnosti khraneniya kopchenykh ryboproduktov, poluchennykh v ustanovke barabannogo tipa s nalozheniem elektrostaticheskogo polya, A.V. Zhuravlev, S.V. Shakhov, I.N. Sukharev, S.Yu. Shubkin, Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya, [Comprehensive analysis of the storage efficiency of smoked fish products obtained in a drum-type installation with the imposition of an electrostatic field], 2021, No 1, pp. 166-180 (Russian).
4. Vorobyov V.I., Valuyskaya K.B. Fish snacks - a product of functional purpose [Text] / In the collection: Innovations in the Food and Service Industry (HoReCa) / / Materials of a scientific and practical conference. A.B. Kondratenko (ed.); Western branch of RANEPA. - 2016. - P. 22-26.
5. Zotova L.V. Innovative technological solutions in the production of snack products [Text] / Scientific works of the Kuban State Technological University. - 2017. - No. 5. - P. 224-233.
