CC BY
4
УДК 664.97, 664.959.5 DOI 10.24411/2311-6447-2019-10013
Изучение терморадиационных и оптических характеристик пенослоя желатина как объекта инфракрасной сушки
The study of thermoradiation and optical characteristics of the gelatin foam layer as an object of infrared drying
Науч. сотрудник Э.П. Дяченко, (Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства - филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр овощеводства») отдел технологий и инноваций, тел. 8 (496) 46-24-364 E-mail: amed-nauka@yandex.ru
ст. преподаватель А.В. Макаров, (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологии товаров и товароведения, тел. (8512) 61-45-94
проректор по научной работе и инновациям Ю.А. Максименко (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машиных и оборудования, тел. (8512) 61-44-69 E-mail: amxsl@yandex.ru
Research Associate Ed.P. Dyachenko, (All-Russian Research Institute of Vegetable growing - a branch of FGBNU «Federal Scientific Center of Vegetable») tel. 8 (496) 46-24-364 E-mail: amed-nauka@yandex.ru
Senior teacher A.V. Makarov, (Astrakhan state technical university) chair technology of products and merchandising, tel. (8512) 61-45-94
Vice rector for scientific work and innovations Yu.A. Maksimenko (Astrakhan state technical university) chair technological machines and equipment, tel. (8512) 61-44-69 E-mail: amxsl@yandex.ru
Реферат: С использованием метода усредненных оптических и терморадиационных характеристик изучены терморадиационные и оптические характеристики пенослоя желатина как объекта IIK-сушки. Образцы желатинового бульона для исследований готовились из полученных при разделке отходов переработки рыб частиковых пород (кожа, чешуя, кости, плавники, хрящи). На спектрофотометре PHOTON RT для диапазонов влажности исследуемого продукта 0,14<ш<0,85 кг/кг, толщины пенослоя 0,002sfe0,004 м и инфракрасной области спектра 1<А<2 мкм получены экспериментальные данные о направленно-полусферических терморадиационных характеристиках R\ и 7л. Получены аппроксимирующие зависимости отражательной интегральной способности оптически полубесконечного слоя R,, 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 исследуемых факторов. Выполнен анализ характера распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя. На основе результатов исследований выбраны ИК-излучатели, режимы их работы, а также оптически тонкий слой, наиболее рациональный для обеспечения высокой интенсивности ПК-сушки желатинового бульона.
©Дяченко Э.П., Макаров А.В., Максименко Ю.А., 2019
Summary. Using the method of averaged optical and thermal radiation characteristics, we studied the thermal radiation and optical characteristics of the gelatin foam layer as an object of IR-diying. Samples of gelatin broth for research were prepared from the fish of partial breeds obtained by cutting fish processing (skin, scales, bones, fins, cartilage). On a PHOTON RT spectrophotometer for experimental humidity ranges of 0,14<w<0,85 kg / kg, a foam layer thickness of 0,002s/i<0,004 m and an infrared region of the spectrum of 1 sAs2 jim, experimental data on directional hemispherical thermoradiation characteristics R\ and Та. The approximating dependences of the reflective integrated ability of the optically semi-infinite layer R,, the coefficient of effective attenuation of the radiation flux as it propagates in the optically infinitely thick layer L, m1, 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 studied factors are obtained. An analysis is made of the nature of the distribution of the bulk density of the absorbed radiation energy over the depth of the optically thin layer. Based on the research results, IR emitters, their operating modes, as well as an optically thin layer, the most rational for ensuring high intensity IR drying of gelatin broth, were selected.
Ключевые слова: оптические характеристики, терморадиационные характеристики, инфракрасный энергоподвод, желатиновый бульон, отходы переработки рыбы, пеносушка.
Keywords: optical characteristics, thermoradiation characteristics, infrared energy supply, gelatin broth, fish processing waste, foam dryer.
Утилизация отходов переработки продуктов животного происхождения на фоне роста объемов производства остается одной из важных задач пищевой промышленности, актуальным направлением решения которой является использование отходов как вторичных материальных ресурсов. В частности, отходы рыбопереработки богаты коллагеном и перспективны в качестве источника сырья для производства желатина. Несмотря высокую долю потребления желатина и его широкое использование в различных отраслях промышленности, отечественный рынок указанного белка насыщен импортной продукцией, создание новых или развитие существующих его производств в стране требует разработки и внедрения научно-обоснованных эффективных конструкторских и технологических решений, позволяющих интенсифицировать производство, снизить себестоимость при сохранении высокого качества готового продукта.
Наиболее энергоёмкой, заключительной стадией получения желатина, определяющей качество готового продукта и производительность производства, является сушка желатинового бульона, который традиционно сушат воздухом в желатини-зированном состоянии в форме прядей, пластин, слоя, гранул. При этом время сушки может составлять от нескольких часов до нескольких суток [1-6]. В результате исследования кинетики и интенсивности конвективно-радиационной сушки желатинового бульона из отходов переработки рыбы во вспененном и желатинизиро-ванном состоянии, проведенных на кафедре технологических матттин и оборудования Астраханского государственного технического университета, установлено, что предварительное вспенивание желатинового бульона и введение инфракрасного энергоподвода в процесс конвективной сушки позволяют в разы увеличить скорость сушки желатина без ухудшения качественных характеристик нативного продукта [7].
Доказано, что в сравнении с традиционными методами сушки объемный инфракрасный (ИК) энергоподвод обладает рядом преимуществ, способствующих энерго- и ресурсосбережению, повышению безопасности и упрощению аппаратурного оформления процесса [8, 9]. Однако для разработки рациональных режимов, моделирования процесса пеносушки желатинового бульона, расчета сушильной техники, в том числе обоснованного выбора ИК-излучателей, их эксплуатационных характеристик, необходимо изучение терморадиационных характеристик (ТРХ) и оптических (ОХ) продукта. В том числе, для более точного понимания и моделирования физико- и биохимических изменений продукта в процессе сушки, а также подбора ИК-излучатели и режимов их работы необходимо определить коэффициент эффективного ослабления L, м-1 и распределение внутреннего объемного источника поглощенной энергии по толщине пенослоя W, Вт/мЗ. Коэффициент L, м-1 численно равен обратной величине глубины слоя и характеризует ослабление теплового потока по мере его распространения в оптически бесконечно толстом слое [8, 10]. 105
Для проведения исследований ТРХ и ОХ образцы желатинового бульона готовились по методике [5] из полученных при разделке отходов переработки рыб частиковых пород Астраханского региона (кожа, чешуя, кости, плавники, хрящи). Оптические характеристики определялись расчетных путем на основе сведений о спектральных отражательной Ra, пропускательной Та и поглощательной Ал способностях продукта. Зависимости Ra и Та от длины волны ИК-диапазона Л, мкм были получены с использованием многофункционального двухлучевого сканирующего спектрофотометра PHOTON RT и литературных данных [8, 10] при различных значениях влажности ш, кг/кг и толщины пенослоя hH, мм, в диапазоне инфракрасной области спектра \<Х<,'2 мкм.
Нижний предел диапазона влажности исследуемого продукта 0,14<ш<0,85 кг/ кг обусловлен требованиями к качеству сухого желатина ГОСТ 11293-89 «Желатин. Технические условия», верхний предел ограничен пеноструктурными характеристиками и технологией получения желатина. Диапазон толщины пенослоя 0,002<h<0,004 м был выбран на основе результатов экспериментальных исследований конвективно-радиационной сушки вспененного бульона желатина [7]. Диапазон инфракрасной области спектра 1<Л<2 мкм выбран исходя из анализа литературных данных [8, 10] и технической возможности экспериментального определения направленно-полусферических ТРХ.
Результаты анализа спектральных ТРХ позволяют предварительно выбрать ИК -излучатели, однако в данном случае необходимо учитывать, что в процессе сушки ИК- энергоподвод происходит в форме интегрального теплового потока. При этом интегральные ТРХ определяются видом, накалом ИК-излучателей, а также условиями облучения, что обусловливается широким диапазоном спектральных и эмиссионных характеристик ИК-излучателей. В результате анализа литературных данных, а также экспериментальных исследований кинетики радиационно-конвективной сушки желатинового бульона [7] установлено, что при одних и тех же тепловых потоках использование генераторов КГТ-220-1000 в качестве ИК-излучателей в процессе сушки вспененного желатинового бульона является более эффективным техническим решением в сравнении с аналогичными решениями, например, нихро-мовыми спиралями в кварцевых трубках. В сравнении с металлическими и керамическими ИК-излучателями генераторы КГТ-220-1000 создают сравнительно высокие тепловые потоки и обладают меньшей тепловой инерцией, что упрощает проектирование сушильной техники [8, 10].
Известно, что для обоснованного выбора оптимальных режимов работы ИК-генератора необходимо сопоставление его эмиссионных характеристик со спектральными ТРХ и ОХ исследуемого продукта [8, 10]. При этом для обеспечения объемного ИК-энергоподвода при облучении пенослоя на эмпирических спектральных зависимостях определяется диапазон длин волн ИК-спектра, в пределах которого продукт имеет наименьшую отражательную и значительную проницаемость.
На рис/ 1 и 2 приведены примеры направленно-полусферических ТРХ Ra и Та, полученных с использованием спектрофотометра PHOTON RT для пенослоя желатина различной толщины h, м и влажности ш, кг/ кг.
0,400
0,300 0,200 0,100 0,000
1,
0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000
1,
Рис. 1. Отражательная Ra и пропускателъная Та способности слоя вспененного раствора желатина при влажности продукта w = 0,75 кг/кг и толщине пенослоя: а) - h =4 мм; б) - h =2 мм
Для изучения ИК-энергоподвода в процессе пеносушки желатинового бульона использовали метод усредненных ТРХ и ОХ [8, 10], а также эмпирические данные о направленно-полусферических ТРХ Ra и Та для продукта известной толщины пенослоя и влажности. Для чего сначала были рассчитаны спектральные двуполусферп-ческие ТРХ желатина RAd и Tvi для исследуемых диапазонов инфракрасной области спектра, влажности и толщины пенослоя, затем с их использованием рассчитывались интегральные ОХ [8, 10].
В результате обработки эмпирических данных и расчетов для процесса пеносушки желатинового бульона в желатинизированном состоянии при двустороннем ИК-энергоподводе с начальной влажностью w = 0,85 кг/кг и толщиной пенослоя h = 0,004 м, соответствующей максимальной удельной производительности процесса [7], получены экспериментально-аналитические зависимости следующих ОХ:
- отражательная интегральная способность оптически полубесконечного слоя Ree от влажности продукта ш, кг/кг:
RJw) = 0,2628- w + 0,0511
; (1)
- коэффициент эффективного ослабления потока излучения по мере распространения в оптически бесконечно толстом слое L, м1 от влажности продукта ш, кг/кг и координаты толщины слоя х = 0...0,004 м:
L(w,x) = (-7,1707-1О4-w- 8,5285■ 16)-х + 546,721 Ъм> +1,1411-103
(z)
С использованием полученных зфавнений (1) и (2) по формуле, предложенной в работе [8], рассчитана зависимость распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого пенослоя желатина W=f (x,w), Вт/м3 для диапазонов координаты толщины слоя х = 0...0,004 м и влажности продукта w = 0,14...0,85 кг/кг при двустороннем ИК-облучении пенослоя:
W{x, w)= L{х, w)- E
+
L{li — x, и') • En2
nl i- v/2(w>x)
1 — (w)
\—y/2 (>!', h - x)
exp(— b(w, x) ■ x) — - . . exp(Z(w, x) ■ л-)
exp(— L\w, h — x) ■ (h — x)) —
у/ 2 (w, h — x)
a , O)
exp(l(w,h — x)- (h — x))
где Еп1=Еп2 - плотность падающего теплового потока с одной стороны пенослоя, Вт/ м2, определенная в результате экспериментальных исследований [7];
V = К> М • ехр(- Ь(м>, х) • х)
На рис. 3 изображено полученное с использованием программного обеспечения МаШсас! поле значений распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя V/, Вт/м3для диапазонов х = 0... 0,004 м и ш = 0,14...0,85 кг/кг. Полученная зависимость И?=Дх,ъи), Вт/м3 необходима для проектирования сушильной техники, реализации физико-математической модели и численного расчета температурных полей в пенослое желатина в процессе ИК-сушки, а также для оценки эффективности ИК-излучателей [8, 10].
W Вт/м3
0,6
/ 0,4 ^ W, КГ/КГ 0,2
1-108
8'107
0,003
0,002 ,001 X, М
Рис. 3 Поле распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения W, Вт/м3 (б) по толщине пенослоя желатинового бульона с влажностью w = 0,14...О,85 кг/кг в диапазоне координаты толщины слоя х = О.. .0,004 м при двустороннем ИК-энергоподводе
Анализ характера распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по толщине пенослоя желатина (рис. 3) показал, что при двустороннем ИК-облучении продукта зависимость W=f[x) при w const имеет экстремальный характер и представляет собой параболу с направленными вверх ветвями, точка экстремума которой соответствует координате середины толщины пенослоя. При перемещении теплового потока к сердцевине пенослоя происходит постепенное поглощение энергии продуктом, в связи с чем, наблюдается уменьшение объемной плотности поглощенной
энергии излучения по толщине пенослоя (от поверхности пенослоя к его сердцевине). С уменьшением влажности продукта происходит равномерное уменьшение объемной плотности поглощенной энергии, что закономерно и обусловливается сокращением молекул воды, поглощающих энергию излучения, а также увеличением пропускательной и отражательной способностей биополимерного каркаса, образующегося в процессе обезвоживания.
Таким образом, на основе спектрального анализа, в результате экспериментально-аналитического изучения ТРХ и ОХ пенослоя желатина с учетом объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине слоя, а также с учетом ранее полученных экспериментальных и литературных данных [7-10], принимаем:
- в качестве ИК- 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 5 0,004 м.
С использованием метода усредненных ТРХ и ОХ на основе эмпирических данных о направленно-полусферических ТРХ RÀ и ТА, полученных на спектрофотометре PHOTON RT проведено исследование ТРХ и ОХ вспененного желатинового бульона из отходов переработки рыбы как объекта ИК-сушки. Для пенослоя желатина в диапазонах влажности исследуемого продукта 0,14<w<0,85 кг/кг, толщины пенослоя 0,002<h<0,004 м и инфракрасной области спектра 1<Л<2 мкм экспериментально-аналитически получены зависимости отражательной интегральной способности оптически полубесконечного слоя Reo, 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/мЗ от w, кг/кг и координаты толщины пенослоя х, м. Полученные зависимости необходимы для реализации физико-математической модели и численного расчета температурных полей в пено-слое желатина в процессе ИК-сушки, а также для оценки эффективности ИК-излучателей и проектирования сушилок. Выполнен анализ характера распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения по глубине оптически тонкого слоя. На основе результатов исследований выбраны ИК-излучатели, режимы их работы, а также оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной сушки.
ЛИТЕРАТУРА
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]. - URL: http://gelatin.nl/home (дата обращения: 30.08.2019).
3. Технология производства желатина [Электронный ресурс]. - URL: http:// gelatin.by/partners/technology (дата обращения: 30.08.2019).
4. Kao Т.Х., Нгуен Тхи Минь Ханг, Нгуен В.Х., Курченко В.П., Ризевский C.B., Головач Т.Н., Разумовская Р.Г., Чубарова A.C. Некоторые аспекты технологии получения желатина из коллагенсодержащих вторичных рыбных ресурсов: обзор / / Труды БГУ. - 2014. - Т.9. 4.1. - С. 23-32.
5. Kao Т.Х., Дяченко Э.П. Способ производства желатина // Патент РФ № 2487152. - 2013.
6. Као Т.Х. Обоснование и разработка технологии получения структурообразо-вателя из кожи рыб: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2012. - 24 с.
7. Макаров А.В., Максименко Ю.А., Алексанян И.Ю., Дяченко Э.П. Разработка рациональных режимов сушки при производстве желатина на основе отходов рыбопереработки / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК продукты здорового питания. - 2019. - № 2. - С. 56-232.
8. Фоменко Е.В. Совершенствование процессов получения гранулированной клейковины пшеничной: дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2019. - 167 с.
9. Дяченко М.М., Боева Н.П., Дяченко Э.П. Технология кормовой муки из мясокостных тканей тюленей / / Труды ВНИРО. - 2017. - Т. 166. - С. 159-178.
10. Никулина М.А. Совершенствование процесса инфракрасной сушки пищевой съедобной пленки: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2018. - 16 с.
REFERENCES
1. Gelatin handbook. Gelatin manufacturers institute of America, Written and produced by the members of GMIA, 2019, 26 pp. (American).
2. Koen Egberts. Gelatin Drying Technology (Gelatin Dryer) [Electronic resource]. -URL: http://gelatin.nl/home (date of the address: 30.08.2019).
3. Tekhnologiya proizvodstva zhelatina [Electronic resource]. - URL: http:// gelatin.by/partners/technology (date of the address: 30.08.2019).
4. Kao Т.Н., Nguen Thi Min' Hang, Nguen V.H., Kurchenko V.P., Rizevskij S.V., Golovach T.N., Razumovskaya R.G., Chubarova A.S. Nekotorye aspekty tekhnologii polucheniya zhelatina iz kollagensoderzhashchih vtorichnyh rybnyh resursov: obzor [Some aspects of the technology for producing gelatin from collagen-containing secondary fish resources: a review] Trudy BGU, 2014, T.9. Ch. 1, pp. 23-32 (Russian).
5. Kao Т.Н., Dyachenko E.P. Sposob proizvodstva zhelatina [Method for the production of gelatin], Patent RF № 2487152, 2013 (Russian).
6. Kao Т.Н. Obosnovanie i razrabotka tekhnologii polucheniya strukturoobra-zovatelya iz kozhi ryb [Substantiation and development of a technology for producing a structurant from fish skin]: Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk, Astrakhan, 2012, 24 pp. (Russian).
7. Makarov A.V., Maksimenko Yu.A., Aleksanyan I.Yu., Dyachenko E.P. Razrabotka racional'nyh rezhimov sushki pri proizvodstve zhelatina na osnove othodov ry-bopererabotki [Developing rational modes of drying gelatin broth from fish processing waste] Tekhnologii pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti APK produkty zdorovogo pitaniya, 2019, № 2, pp. 56-232 (Russian).
8. Fomenko E.V. Sovershenstvovanie processov polucheniya granulirovannoj klejkoviny pshenichnoj [Improving the processes for producing granular wheat gluten]: dis. ... kand. tekhn. nauk, Astrakhan, 2019, 167 pp. (Russian).
9. Dyachenko M.M., Boeva N.P., Dyachenko E.P. Tekhnologiya kormovoj muki iz myasokostnyh tkanej tyulenej [Technology of feed meal from meat and bone tissue of seals] Trudy VNIRO, 2017, T. 166, pp. 159-178 (Russian).
10. Nikulina M.A. Sovershenstvovanie processa infrakrasnoj sushki pishchevoj s"edobnoj plenki [Improving the process of infrared drying of edible edible film]: Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk, Sankt-Peterburg, 2018, 16 pp. (Russian).
