CC BY
22
УДК 664.952/.957:594.124
Ю.В. Карнаушенко
К ВОПРОСУ О ФИЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА СУШКИ МЯСА РАПАНЫ (RAPANA VENOSA)
Физическое моделирование процесса сушки предложено рассмотреть с учетом планирования эксперимента, выбора числа опытов и условий их проведения с целью совершенствования процесса переработки мяса рапаны для производства сушеной продукции в виде порошков и снеков. Результатом исследований является описание процесса сушки мяса рапаны, который сводится к решению экспериментальной задачи, направленной на определение оптимальных условий протекания процесса. Для определения влияния режимов на процесс сушки в псевдоожиженном слое нами был использован статистический метод планирования эксперимента. В работе представлены данные по организации эксперимента на основе принципа его планирования, представлено уравнение регрессии, учитывающее все взаимодействия факторов, полученная модель проверена на адекватность и дана ее интерпретация. В процессе исследования решена актуальная задача по извлечению наибольшего количества сведений об изучаемых процессах при ограниченных затратах.
Ключевые слова: переработка, гидробионты, процесс, сушка, псевдоожиженный слой, организация эксперимента.
Y.V. Karnaushenko
PHYSICAL MODELLING OF RAPANA MEAT (RAPANA VENOSA) DRYING
Physical modeling of the drying process is proposed to consider as the subject of experiment planning, choice of a number of experiments and test conditions to develop the technology of dried Rapana meat in the form of powders and snacks. The result of research is a description of the drying process of Rapana meat, which is confined to the solution of the experimental task aimed at determining the optimal conditions of the process. The statistical method of experiment planning was conducted to determine the effect of the drying process in the fluidized bed. The data on the organization of the experiment using experiment skills are presented. The regression equation taking into account all interaction factors is given. Obtained model is checked for adequacy and interpreted. In the process of research the relevant objective to extract the maximum amount of data on the studied processes with limited costs is achieved.
Key words: processing, hydrobionts, process, drying, fluidized bed, organization of the experiment.
DOI: 10.17217/2079-0333-2017-40-45-50
В Азово-Черноморском бассейне обитает большое количество моллюсков, значительную долю которых составляет брюхоногий моллюск черноморская рапана (от лат. (Rapana venosa)) -род хищных брюхоногих моллюсков с длиной раковины около 12-15 см. Питается рапана двустворчатыми мелкими моллюсками. Для того чтобы добраться до мяса моллюска рапаны, необходимо открыть створки. Эту операцию они совершают при помощи своей сильной мускульной ноги. Молодые особи рапаны с помощью своего языка-сверла, который покрыт зубчиками, проделывают отверстия в раковинах своих жертв и раскрывают их для поедания, что приводит к истреблению видов гребешков, мидии в Азово-Черноморском бассейне. Обитает рапана на любом типе дна, по которому передвигается с помощью мускулистой ноги, ей не требуются особые условия для существования, такие как уменьшение или увеличение солености, изменение содержания кислорода в морской воде [1]. Наши исследования направлены на разработку технологии, позволяющей перерабатывать моллюск, а именно рапану, на сушеную продукцию повышенной пищевой ценности.
По данным авторов [2], проводивших исследования в области производства продуктов питания, предназначенных для школьного и лечебно-профилактического питания, мясо рапаны черноморской (Rapana thomasiana) использовали как компонент фаршевых рыборастительных
полуфабрикатов, предназначенный для повышения пищевой и биологической ценности продуктов школьного питания. Введение мяса рапаны в рецептуры позволяет обогатить продукт большим количеством минеральных веществ, витаминов А и D, а также полиненасыщенных ю-3 и ю-6 жирных кислот. Таким образом, использование мяса рапаны черноморской и растительного сырья дает возможность получения продукта с заданным химическим составом, отвечающим потребностям организма школьников.
Способ консервирования, в частности сушка пищевого сырья, применяются в различных областях народного хозяйства, хотя сушильная техника остается проблемной областью, поскольку в случае недосушивания или пересушки продукция может быть испорчена. Особенно остро этот вопрос стоит при сушке термолабильных и склонных к адгезии материалов, поскольку именно эти материалы требуют значительных энергозатрат и в большинстве технологических процессов именно эта операция является дорогостоящей.
Несмотря на разнообразие технологий производства консервов и кулинарной продукции из гидробионтов, промышленные технологии сушки кальмара, рыбного фарша, мяса криля и мидии, рапаны недостаточно изучены, что должно стать перспективой в дальнейшем научном поиске.
Особенно актуальным направлением переработки является сушка гидробионтов в псевдо-ожиженном слое, что позволяет получать сушеный продукт с высокими показателями качества.
В основе всех теоретических выводов лежат опыт и эксперимент. Развитие науки и техники привело к усложнению способов реализации необходимых экспериментальных исследований. Иногда интуиция экспериментатора становится все менее надежной.
Цель статьи - повышение эффективности исследований при физическом моделировании процесса сушки мяса рапаны на основе принципа планирования эксперимента.
Методы исследования
При выборе направления исследований, методики проведения эксперимента используются принципы планирования эксперимента. Известны два основных направления в математической
теории планирования эксперимента, а именно планирование эксперимента для выяснения механизма явления и планирование экстремального эксперимента. В первом случае необходимо выяснить поведение исследуемого объекта в целом, то есть разработать математическую модель процесса. Во втором случае планирование заключается в поиске таких значений факторов, при которых изучаемый процесс удовлетворяет выбранному критерию оптимизации.
В процессе исследования решалась задача физического моделирования процесса сушки мяса рапаны. Была разработана физическая модель установки для сушки мяса рапаны (рис.1).
Установка состоит из следующих узлов: вентилятор, термобокс, съемная сушильная камера и пульт управления с встроенным прибором ТРМ-10.
Разработанная экспериментальная сушильная установка представляет собой воздуховод квадратного сечения с размерами 100 х 100 мм, в разрыве которой помещается прямоугольная сушильная камера, нижнее и верхнее сечение которой составляет 100 мм, длина — 400 мм.
Сушильная камера экспериментальной установки является съемной. Камера изготовлена из нержавеющей стали, однако передняя стенка с целью обеспечения возможности наблюдения за продуктом в процессе его сушки изготовлена из стекла. С торцов камера ограничена съемными сетками с живым сечением 80%. Устройство для подачи воздуха представляет собой центробежный вентилятор низкого давления типа Ц4-70 № 2,5 (электродвигатель серии АО21-2, мощность двигателя Идв = 0,3 кВт, частота вращения двигателя п = 1500 об/мин).
Принципиальная схема экспериментальной сушильной установки показана на рис. 2. Общий вид блока управления - на рис. 3.
Рис. 1. Экспериментальная установка
для исследования процесса сушки мяса рапаны в псевдоожиженном слое
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной сушильной установки: 1- камера сушильная; 2- электрокалорифер; 3- вентилятор; 4- патрубок цилиндрический; 5- захват; 6 - воздуховод; 7 - решетка газораспределительная; 8 - заслонка регулирующая; 9 - диафрагма; 10 - ЛАТР; 11 - стойка; 12 - линейка; 13 - анемометр; 14 - микроманометр; 15 - микроманометр дифференциальный; 16 - прибор ТРМ-10; 17 - термопара
Рис. 3. Общий вид блока управления: 1 - выключатель электродвигателя; 2 - выключатель электронагревателей; 3 - прибор ТРМ - 10
Принцип работы экспериментальной установки заключается в следующем. Вентилятор (3) захватывает воздух из атмосферы и создает поток воздуха низкого давления, который, проходя через электрокалорифер (2), нагревается до температуры 20...200°С. Далее нагретый воздух попадает в сушильную камеру (1) с продуктом, где и создает псевдоожиженный слой, в котором осуществляется переход влаги из продукта в сушильный агент. Увлажненный и отработанный воздух удаляется из установки посредством отвода. В процессе сушильная камера (1) снимается для контроля массы сохнущего материала (например, через каждые 5 мин), поэтому камера оборудована легкосъемной крышкой, которая снимается посредством механизма.
На блоке управления (рис. 3) встроен прибор ТРМ-10 для измерения температуры нагрева сушильного агента (воздуха), продукта до и после сушки. Контроль температуры осуществляется в восьми точках с точностью ±1°С. Измерение температуры воздуха по сухому и мокрому термометру происходит на входе в вентилятор, на входе в сушильную камеру и на выходе из сушильной камеры отработанного воздуха. Электрокалорифер установлен последовательно с вентилятором.
При достижении воздухом заданной температуры сушильная камера вынимается из установки для закладки заранее взвешенного мяса рапаны. Сушильная камера с продуктом устанавливается в разрыв системы, по которой подается нагретый сушильный агент и плотно присоединяется с помощью специальной системы уплотнительными фланцами. Нагретый воздух подается в камеру через газораспределительную решетку по воздуховоду. Как известно, псевдо-ожиженный слой в продукте, находящемся в камере, создается за счет выбора определенной скорости воздуха. Измерение скорости воздуха, подаваемого в рабочую камеру, производится с помощью анемометра. Гидравлическое сопротивление слоя на разных этапах процесса псевдоожижения измеряли с помощью микроманометра и микроманометра дифференциального. Контроль над процессом сушки осуществляется с помощью секундомера - затраты времени на удаление влаги, и весов, контролирующих количество испарившейся влаги.
В связи с тем, что вентилятор и электрокалорифер осуществляют подачу воздуха с заданными параметрами для непосредственного контакта с продуктом, следует воспринимать их как определенную подсистему, в которой мы можем находить начальные параметры воздуха. Эта подсистема должна гарантировать обеспечение следующих технологических параметров и их допустимые отклонения:
температуру воздуха, с которой он поступает на процесс сушки; влажность воздуха, с которой он поступает на процесс сушки; расход воздуха в процессе сушки; - давление воздуха для сушки на входе в рабочую камеру; скорость потока воздуха.
Измерение относительной влажности сушильного агента до процесса сушки и после также важно, поскольку позволяет судить об изменении относительной влажности продукта. С этой целью определили относительную влажность сушильного агента до сушильной камеры (1) и после нее при помощи психрометра.
Измерение расхода сушильного агента позволяет судить об интенсивности процесса сушки и о скорости протекания процесса.
Математической задачей многофакторного планирования эксперимента является получение представления о поверхности отклика факторов, которая аналитически представляет зависимость выхода (у) изучаемого технологического процесса от известных и изучаемых исследователем переменных входных факторов, варьируемых при постановке эксперимента.
Таким образом, при планировании полного факторного эксперимента принимается гипотеза о линейности системы, то есть гипотеза о том, что параметр выхода может описываться уравнением без квадратичных членов и, возможно, без членов, учитывающих парные и выше взаимодействия.
Постановка полного факторного эксперимента сводится к следующим операциям:
- выбор уравнения регрессии;
- составление плана полного факторного эксперимента;
- расчет коэффициентов регрессии;
- оценка значимости коэффициентов регрессии;
- анализ уравнения регрессии.
Согласно известным методикам [5-6] требовалось построить уравнение регрессии, учитывая все взаимодействия факторов, проверить полученную модель на адекватность и произвести ее интерпретацию.
Работу выполняли в следующем порядке:
1) кодировали переменные;
2) достраивали матрицу планирования в кодированных переменных с учетом парных взаимодействий и дополняли столбцом средних значений отклика;
3) вычисляли коэффициенты уравнения регрессии;
4) проверяли вычисленные коэффициенты на значимость, предварительно определив дисперсию воспроизводимости, и получили уравнение регрессии в кодированных переменных;
5) проверили полученное уравнение на адекватность;
6) провели интерпретацию полученной модели;
7) выписали уравнение регрессии в натуральных переменных.
Результаты исследований
Априорная информация и результаты обработки экспериментов по исследованию процесса сушки мяса рапаны мидии дают возможность выделить параметр оптимизации, характеризующий процесс — влагосодержание Жс ,%, и обозначим его через у.
Перейдем к рассмотрению экспериментов с тремя переменными Хь Х2, Х3. Чтобы исчерпать все возможные комбинации трех факторов, поставили восемь опытов, планируя эксперимент.
Проводили эксперимент типа 23, где число факторов к = 3, число уровней р = 2, число опытов N = 8, число повторных опытов п = 5. Локальную область эксперимента задали выбором комбинации основных уровней факторов и интервалов варьирования факторов (центр эксперимента). За центр эксперимента приняли такие значения факторов, при которых известно наилучшее значение параметра оптимизации. Факторы, уровни и интервал варьирования приведены в табл. 1.
Таблица 1
Уровни и интервалы варьирования факторов__
Наименование и обозначение факторов, Кодовое значение Уровни варьирования Интервалы варьирования
—1 0 +1
температура теплоносителя а °С (Х;) 80 90 100 10
удельная нагрузка Ы^, кг/м2 (Х2) 12 14 16 2
продолжительность сушки х , мин (Х3) 60 130 200 70
После проведения опытов выполнена статистическая обработка результатов. Проверка однородности дисперсий выполняется по критерию Фишера Б. Уравнение математической модели с учетом парных взаимодействий имеет вид:
y=b + bx + b2x2 + bx + ^xx + + b23x2x3 + ^xxx • (1)
С учетом значения дисперсии воспроизводимости ^^ = 0,395 с доверительной вероятностью а = 0,95 была определена граница доверительного интервала для коэффициентов регрессии:
да. = ± ^=± 278_0395=0,388.
^ л/8
Сравнивая коэффициенты регрессии с вычисленным доверительным интервалом, получили значимые коэффициенты: Ь0, Ь1, Ь2, Ь3, Ь12. Модель (1) с учетом вычисленных оценок коэффициентов имеет следующий вид:
у = 1775,94-15,5797^ -87,5084х2 -8,0191&3 + 0,7957^^ + 0,0694хх3 + 0,3825г2х3 -0,00333хх2хз.
Адекватность математической модели была определена по критерию Фишера.
Из трех линейных эффектов выделились два: эффект фактора х1 - температура сушильного агента и фактора х2 - удельная нагрузка. При сравнении их количественных оценок видно, что удельная нагрузка влияет несколько сильнее, чем температура сушильного агента. Характер их влияния одинаков. С увеличением температуры сушильного агента и удельной нагрузки влаго-содержание уменьшается, так как коэффициенты Ь1, Ь2 имеют отрицательный знак. Фактор х3 — продолжительность в выбранных интервалах варьирования оказывает незначительное влияние на влагосодержание.
Выводы
Таким образом, современные технологии переработки гидробионтов, в частности мяса рапа-ны с целью получения пищевых и диетических продуктов функционального предназначения, должны базироваться на решении задач, направленных на определение оптимальных условий проведения процесса. В задачи исследования входило изучение объекта, формулировка цели и выбор факторов, создание модели. В процессе планирования эксперимента использовался статистический метод. Решение данных задач будет обеспечивать максимальное сохранение качества получения сушеной продукции.
Литература
1. Карнаушенко Ю.В., Девиза А.И. К вопросу разработки технологии в области переработки мяса рапаны (Rapana Venosa) // Инновационные направления развития в образовании, экономике, технике и технологиях: науч.-практ. конф. (12-13 мая 2016 года): сб. ст. в 2-х ч. / под общ. науч. ред. д. т. н., проф. В.Е. Жидкова. - Ставрополь: Ставролит; ТИС, 2016. - С. 256-258.
2. Криницкая Н.В., Запорожский А.А., Латынин А.С. Возможность использования мяса рапаны черноморской (Rapana thomasiana) в продуктах для школьного питания // Известия вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 1. - С. 45-46.
3. Бушкова Л.А., Ермина Г.К. Комбинированные продукты питания // Пищевая и перерабатывающая пром-сть. - 1986. - № 10. - С. 33-34.
4. Медико-биологические требования к продуктам детского и лечебного питания / Б.С. Бедных, Г.А. Анисимова, И.Я. Конь и др. // Молочная пром-сть. - 1998. - № 6. - С. 11-13.
5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. -10-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2004. - 479 с.
6. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теория вероятностей и математической статистике: учеб. пособие. - 8-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2003. - 405 с.
Информация об авторе Information about the author
Карнаушенко Юлия Викторовна - Керченский государственный морской технологический университет; 298309, Россия, Керчь; кандидат технических наук, доцент кафедры машин и аппаратов пищевых производств; yuliyakgmtu@mail.ru
KarnaushenkoYuliyaViktorovna - Kerch State Maritime Technological University; 298309, Russia, Kerch; Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Machinery and Equipment for Food Production Chair; yuliyakgmtu@mail.ru
