CC BY
0Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 631.563.2 Код ВАК 4.3.1
КИНЕТИКА УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ЗЕРНА ПРИ ВАКУУМНОЙ СУШКЕ ГОРОХА
Л.К. Кибирев1*, Ю.В. Панков1, М.Л. Юсупов1
1ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
*E-mail: leonid.kibirev@bk.ru
Аннотация: в ходе исследования вакуумных процессов сушки были изучены формы связи влаги в зерне и эффекты вакуума на сушку гороха. Традиционное тепловое высушивание зерновых культур требует больших энергозатрат, так как это приводит к нагреванию зерна и диффузионному испарению влаги из сердцевины зерна в атмосферу. Использование вакуума в процессе сушки зерна в агрегате позволяет более эффективно удалить избыточную влагу. Скорость перемещения воды к поверхности и ее отделение от зерна ускоряет процедуру сушки, что снижает энергозатраты.
Методы вакуумной сушки биологических продуктов широко применяются в пищевой промышленности. Одной из особенностей сушки гороха является то, что зерна в объеме зерновой массы равномерно распределены по степени зрелости и содержанию влаги. Качественная сушка свежих зерен гороха ускоряет процесс созревания.
Ключевые слова: кинетика, сушка гороха, вакуумная среда, диффузия, параметры сушки.
KINETICS OF PEA DRYING DURING VACUUM DRYING WITH JUSTIFICATION OF THE
OPERATING MODE L.K. Kibirev1*, Yu.V. Pankov1, M.L. Yusupov1
1Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russian Federation
*E-mail: leonid.kibirev@bk.ru
Abstract: during the study of vacuum drying processes, the forms of moisture bonding in grain and the effects of vacuum on drying peas were studied. Traditional thermal drying of grain crops requires high energy consumption, as this leads to heating of the grain and diffusive evaporation of moisture from the grain core into the atmosphere. The use of vacuum in the process of drying grain in the unit allows you to more effectively remove excess moisture. The speed of water movement to the surface and its separation from the grain accelerates the drying procedure, which reduces energy consumption.
Methods of vacuum drying of biological products are widely used in the food industry. One of the features of drying peas is that the grains in the volume of the grain mass are evenly distributed according to the degree of maturity and moisture content. High-quality drying of fresh pea grains accelerates the ripening process.
Keywords: kinetics, drying of peas, vacuum medium, diffusion, drying parameters.
Введение (Introduction).
Снижение содержания влаги в зерне путем тепловой сушки уменьшает активность микроорганизмов, которые могут быть вредны для продукта. В некоторых случаях термическое обеззараживание используется в качестве процесса консервации, хотя потенциал порчи зерна гороха не всегда может быть полностью устранен. Процесс сушки гороха снижает жизнеспособность зерна, но при правильных условиях окружающей среды зерно будет продолжать дышать.
Сушка зерновой массы является важной частью сложного технологического процесса от сбора урожая до хранения зерна гороха. Содержание влаги в зерне после уборки урожая обычно составляет от 35% до 20,5%, в зависимости от погодных условий на момент сбора урожая. Для длительного хранения зерновой массы и получения качественной переработанной продукции следует создать зерна с влажностью 15% после сушки как необходимые условия хранения. После сбора урожая зерна гороха пропускают через аппаратурное оборудование сушки зерновой массы. Снижение содержания влаги придает зерну благоприятные свойства хранения и играет важную роль при дальнейшем хранении и переработки. Удаление влаги из зерна гороха путем конвекции горячего воздуха требует большого количества тепловой энергии. Поэтому, в зависимости от условий окружающей среды, большие зерновые системы необходимо долго нагревать для удаления большого количества влаги из сложной структуры составных компонентов зерен гороха (рис. 1).
Рисунок 1. Поперечный разрез семени гороха: 1 - кутикула; 2 - палисадные клетки; 3,4 - слои семенной оболочки; 5,6 - ткань семядоли; 7 - зерна
крахмала; 8 - алейроновые зерна
Основным содержимым ядра гороха является эндосперм или белок семени, который заполнен крахмальными зернами и клейковиной (особенно в небольшом количестве внутри) в клетках, и зародыш в основании. Зародыш и эндосперм имеют семенник, что состоит из двух слоев: пигментированного слоя около эндосперма и экзокарпа. За этими двумя слоями семенника находится околоплодник, состоящий из трех слоев, образованных стенкой завязи: эндокарпа, эпикарпа и экзокарпа. Эндосперм, прилегающий к семенной оболочке, состоит из толстостенных клеток и заполнен клейковиной - микроскопической массой, не содержащей крахмала, но содержащей азот. Клейковина также содержится в клетках
эндосперма зерна. Имеется алейроновый слой, который легко поглощает воду из окружающей среды и
действует как переносчик воды для зародышей, которым нужна вода для прорастания [2]. Нагрев зерна путем конвекции потока горячего воздуха неэффективен.
Сушка зерна на самом деле является процессом сохранения продукта. Когда уровень жидкости в зерне падает, жизненная энергия, в данном случае гороха, после обработки уменьшается, но он продолжает дышать. Длительное хранение после обработки возможно только при условии вентиляции зернохранилища и соблюдения требуемого содержания влаги и оптимальной температуры. При подготовке пригодного зерна к хранению, из начального состояния 10%-15% влаги удаляется из внутреннего объема, что играет важную роль в подготовке товарного состояния и хранения зерновой массы. Это позволяет обеспечить физические и биологические параметры, обеспечивающие длительную сохранность зерна. Удаление воды снижает активность микроорганизмов [4-8].
Методология и методы исследования (Methods).
Целью исследования является:
- изучение влияния условия вакуума, окружающей среды зерновой массы, на удаление влаги из объема зерна;
- изучение количественного изменения веса зерен за счет удаления влаги вакуумом во времени;
- определение количественного удаления влаги из зерна в интервалах, фиксированных во времени.
Основные задачи исследования включают:
Изучение процесса сушки зерен гороха в вакууме с определенным вакуумным давлением на скорость сушки зерна. Получение зависимости, циклового изменения веса зерновой массы гороха, при интервале выдержки 20 мин в вакууме 0,1 МПа., в течении пяти циклов.
Анализ полученной зависимости изменения веса навески при выдержке в вакууме в течении пяти циклов сушки (100 мин.). Получение последовательности процесса удаления влаги из объема зерна -начальная стадия сушки, участок ускоренной сушки и участок замедленной сушки.
Анализ процессов, происходящих в период циклового воздействия вакуума на состояние зерновой массы гороха. Оценка скорости удаления влаги из объема зерна
Экспериментальная установка (Рис. 2a), для проведения исследования, имеет вакуумный насос и объемный сосуд цилиндрической формы емкостью 5 литров. Внутренняя полость сосуда является зоной расположения объема зерновой массы гороха, подготовленного для эксперимента. Сосуд имеет прозрачную крышку, плотно прилегающую под действием вакуума. Вакуумный насос и сосуд с вакуумом соединены шлангом из вакуумной резины посредством штуцера и вакуумного одноходового крана. Для измерения внутреннего вакуума сосуд имеет штуцер с установкой манометра через вакуумный кран. При соединении с атмосферой используется шаровой кран манометра. Изменение веса зерновой массы гороха в режиме вакуума фиксировалось электронными весами (с точностью 0,05) взвешиванием навески на открытом воздухе после каждой цикловой выдержке. Экспериментальная установка объемно-вакуумной сушки зерна позволяет исследовать кинетику влагоудаления из зерен гороха.
а б
Рисунок 2. Эксперимент вакуумной сушки гороха: а-фото экспериментальной установки; б-процесс цикличной вакуумной сушки гороха.
Таблица 1 - Изменение массы гороха при периодично фиксированном повторении эксперимента
1 - время, мин; 0 20 40 60 80 100
О- масса гороха; 130,56 127 124,36 122,56 121,5 121,05
ДG - изменение веса 0 3,56 2,64 1,8 1,06 0,45
ДG/Дt - скорость изменения веса. г/с - 2,96 10-3 2,2 10-3 1,5 10-3 8,8 10-4 3,7510-4
Результаты и обсуждение (Results).
Процесс удаления влаги из объема зерна может быть оптимизирован путем применения вакуума в сушильном оборудовании периодического действия.
Целью эксперимента было изучение процесса удаления влаги из зерновой массы гороха воздействием вакуума. Своевременная и правильная сушка зерна без сильного теплового воздействия не только улучшает качество зерна при хранении, но и повышает его пищевую и семенную ценность. Вакуумная технология сушки биологических продуктов имеет важное стратегическое значение в сохранении свойств белка и крахмала, как структурных компонентов зерна. Сушка гороха снижает его жизнеспособность, но при правильно созданных условиях хранения зерна в окружающей среде воздуха зерно будет продолжать дышать, т.е. должны сохранятся все обменные процессы.
Экспериментально определено - при воздействии вакуума зерновая масса теряет влагу активно при температуре воздуха работы вокруг экспериментальной установки +300С. и вакуума 0,1 МПа. Учитывая снижение вязкости воды при ее нагревании, параметры вакуумного воздействия соответствуют быстрому испарению влаги как в процессе кипения влаги в объеме зерна.
Скорость удаления влаги AG/At в процессе вакуумной сушки заметно снижается в каждом интервале циклической выдержки при заданных условиях эксперимента.
Выводы (Results).
Результаты показали, что большая часть свободной воды в высушенном образце исчезает в течение первых 10 минут при давлении 0,1 МПа. После чего происходит устранение, адсорбированной в капиллярах и стенках капилляров, воды.
Построенный график кинетики сушки, отражает изменение массы влажного зерна при периодичном вакуумировании. (Рис. 2б).
Перед проведением экспериментов масса влажного гороха составляла 130,56 г. после сушки в вакуумной среде за 100 мин масса снизилась до 121,05 г. В процентном соотношении изменение составило 7, 28%.
Таким образом, можно сделать вывод, что процесс сушки вакуумированием эффективно удаляет влагу из образца гороха. Отсутствие свободной воды в течение первых 10 минут говорит о высокой скорости удаления свободной влаги. Эффективность процесса сушки и демонстрирует потенциал применения вакуумной сушки для удаления влаги из гороха и подобных продуктов.
Библиографический список
1. Арендарчук А.В. Электротермическое оборудование направленного излучения/ А.В. Арендарчук, А.П. Слоботской.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-80с.
2. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления: Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с.
3. Вобликов Е.М. Послеуборочная обработка и хранение зерна/ Е.М. Вобликова, В.А. Буханцов, Б.К. Маратов, А.С. Прокопец. - Ростов н/Д: издательский цент «МарТ», 2001. - 240 с.
4. Бородин И.Ф. Связь между электрическими параметрами зерновой массы и влажностью: сб. науч. тр. / И.Ф. Бородин, В Н. Столбов, В.И. Загинайлов. - М.: МИИСП, 1997. - Т.14. - Вып. 13. - С. 1214.
5. Пиляева О.В. Исследования по определению тепловлажностных характеристик плотного слоя зерна/ Эпоха науки №8. - 2016. С. 131 - 135.
6. Ефремова Е.Н. Хранение и переработка продукции растениеводства: учебное пособие/ Е.Н. Ефремова, Е.А. Карпачева. - Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградсткий ГАУ, 2015. - 148 с.
7. С.И. Савосин, В.В. Солдатов. Выбор методов для автоматизированного контроля влажности сельскохозяйственных объектов/ Вестник РГАЗУ. - 2014. С.15 - 16.
8. С.И. Савосин, В.В. Солдатов. Автоматизация контроля влажности зерна при его хранении. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - №3. - 2008. С. 28 - 30.
9. И.С. Ремпен, Е.Н. Егоров, А.Н. Савин, В.И. Пономоренко. Операционные усилители. Часть 2. Некоторые функциональные схемы: учебнометодичческое пособие. Саратов, 2011. - 14 с.
10. Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. Биохимия зерна и хлебоподуктов К-14 (3-е переработанное и дополненное издание) - СПб. ГИОРД, 2005.-512 с. ISBN 5-901065-82-4
Refere^es:
1. Исследование и анализ условий процесса объемно-вакуумной сушки зерна / Ю. В. Панков, А. А. Садов, Л. А. Новопашин [и др.] // Известия Международной академии аграрного образования. -2022. - № 63. - С. 43-46. - EDN JJNRDF.
2. Шевченко, И. В. Вакуумная сушка агрозерна / И. В. Шевченко, Ю. В. Панков, Л. К. Кибирев // Обзор тенденций в агропромышленном комплексе : сборник статей конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Тенденции в АПК», Екатеринбург, 24 октября 2022 года. -Екатеринбург: Уральский государственный аграрный университет, 2022. - С. 59. - EDN EGOQBD.
3. Voblikov E.M. Post-harvest processing and grain storage/ E.M. Voblikova, V.A. Bukhantsov, B.K. Maratov, A.S. Prokopets. - Rostov n/A: publishing center "March", 2001. - 240 p.
4. Borodin I.F. The connection between the electrical parameters of grain mass and humidity: collection of scientific tr. / I.F. Borodin, V.N. Stolbov, V.I. Zaginailov. - M.: MIISP, 1997. - Vol.14. - Issue. 13. - p. 125. Pilyaeva O.V. Studies to determine the heat and moisture characteristics of a dense layer of grain/ Epoch
of Science No. 8. - 2016. pp. 131 - 135.
6. Efremova E.N. Storage and processing of crop production: textbook / E.N. Efremova, E.A. Karpacheva. - Volgograd: FGBOU VO Volgogradstky GAU, 2015. - 148 p.
7. S.I. Savosin, V.V. Soldatov. Selection of methods for automated moisture control of agricultural facilities/ Bulletin of RGAZU. - 2014. pp.15-16.
8. S.I. Savosin, V.V. Soldatov. Automation of grain moisture control during its storage. Bulletin of the FGOU VPO MGAU. - No. 3. - 2008. pp. 28 - 30.
9. I.S. Rempen, E.N. Egorov, A.N. Savin, V.I. Ponomorenko. Operational amplifiers. Part 2. Some functional schemes: textbook manual. Saratov, 2011. - 14 p.
10. Kazakov E.D., Karpilenko G.P. Biochemistry of grain and bread products K-14 (3rd revised and expanded edition) - St. Petersburg. GIORD, 2005.-512 p. ISBN 5-901065-82-4
