CC BY
38
641.5.004.18
ПРОБЛЕМЫ Э КО ЭНЕРГЕТИКИ В ПРОЦЕССАХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ
10
•_>,ч
3.(1
т.о
10.К. ГУ БИТВ. ПК. МПТ.ФЛП
Мог К' иГЛ\).Ч ,'1!{Ц<К1/>{ ГП1<1 'ЧН11Ч ЧК111>Г мин пшцсш'П гцхиг.чии )ств
Почти но всех пищевых продуктах II процессе приготовления, ОСОбеННО мо время термическом •обработки, происходит изменение физических, физико-механических, структурно-механических, физиолого-биохимических свойств, которое не должно снижать качества готовых изделий 111. Поэтому выбор способа и рационального режим;) теплотехнологического процесса должен базироваться на технологических рекомендациях приготонления того или иного нида продукта и рассмат-ривагься как единое целое к технологическом регламенте, учитывающем свойства объекта термообработки и рецептуру его приготовления.
Традиционные способы передачи энергии в большинстве случаев исчерпали свои возможности, при этом главным сдерживающим фактором является теплойнерционнос гь объектов термообработки. обусловленная их леплофизическимн свойствами и механизмом передачи энергии.
Известно, что тепловой поток в материале при обычных способах нагрева предопределен его теплопроводностью и градиентом температуры. Первым сдерживающий фактор обусловлен физическими свойствами материала, которые невыгодно изменяются в процессе его термической обработки и практически не поддаются управлению. Второй фактор предусмотрительно сдерживается для предотвращения образования канцерогенов и обугливания поверхности изделий, что может в значительной слепени сказаться на их качестве. Следовательно, традиционные способы энергоподвода ограничены по верхнему пределу температуры и лишены возможное III безынерционного управления энергоинформационной субстанцией и объектах термообработки. Это предопределяет необходимость поиска, разработки и пропаганды нетрадиционных источников энергии.
Анализ механизмов энергообмена и термодинамического состояния объекта нагрева позволяет отдать предпочтение механизму электронной (инфракрасный ///\-11агрев) и ориетационной (микроволновый нагрев) поляризации молекул гетерогенных диэлектрических систем с неравномерно распределенной влагой, когда электромагнитное поле непосредственно взаимодействует с веществом.
В т-рвом случае поток электромагнитной энергии взаимодействует с электронами атомов и молекул диссипирующей субстанции, изменяя термодинамическое состояние системы в целом (происходит объемный нагрев). Однако глубина проникновения электромагнитного поля в май-риал, на которой объемная диссипация //А’-энергии пре-
валнрует над теплообменом (величина скин-слоя Д ).для различных материалов составляет (1+5)10 ' м. Для больших значений Л диссипативными эффектами можно пренебречь и нагрев остального объема продукта рассматривать как происходящий за счет теплопроводности. Этот вид энергоподвода целесообразно использовать для обработки материалов и управления процессами поверхностного тепло- и массообмена но влажных снеторассеиваю-щнх средах.
Поскольку область аномальной дисперсии свободной и связанной воды лежит в микроволновом диапазоне, то нагрев продукта микроволновым полем осуществляется за счет изменения термодинамического состояния диссиниру юшей субстанции токами смещения (ориентационная поляризация системы полярных молекул). В случае радиопрозрачности каркаса диэлектрической гетерогенной сислемы микроволновый нагрев будет нзбиралель-ным, причем пнтенсивностьдиссипатинных источников будет прямо пропорциональна локальной влажности. С учетом изложенного значения величина скин-слоя (1 • 10"-г:.\<5- 10 м) и отсутствие опасности электрического пробоя в объектах нагрева позволяют отдать предпочтение микроволновому нагреву, способному создавать высокие локальные термодинамические потенциалы, стимулирующие процессы миграции, испарение влаги и перераспределение интенсинностей ниу трен них источников тепла. Таким образом, микроволновый нагрев помимо безынерционнясги передачи энергии является также саморегулируемым.
Однако наряду с перечисленными преимуществами микроволновый нагрев обладает существенными недостатками: возможностью излучении микроволновой энергии в окружающую среду, вероятностью образования в продуктах канцерогенов. высокой стоимостью 1 кВтч микроволновой энергии.
Первый недостаток легко различим с помощью существующих высокоэффективны подавляющих микроволновое излучение снсіем. Втрой также легко устраняемся, если плол носы» диссипируемой мощности по обл.ему обрабатываемого материала не превышаем 1-Г) Вг/см\ Трім ни недостаток является решающим при определении экономической целесообразности способа энергоподылпа. По нашим данным, 1 кВт-ч микроволновом .чк-ргии приблизительно и 20 раз дороже чем 1 кВт-ч энергии переменною тока. Однако и при лаком соотношении цен есть ряд технологических процессов, в которых использование микроволновой энергии может быть оправдано. Электродинамический способ передачи энергии объекту термической обработки на сегодняшний день не имеет альтернатив по экологической чистоте, а непосред-
ственное взаимодеиствие вещества и поля в значительной степени повышает энергетическое совершенство теплотехнологических систем.
В связи с этим на кафедре физики МГАПП разрабатываются высокоэффективные технологии направленного действия [2], охватывающие в качестве объектов исследования жидкие, дисперсные и твердые пищевые продукты.
Непосредственное взаимодействие вещества и поля позволяет осуществить энергоинформационное управление локальными источниками тепла, что стимулирует значительную интенсификацию теплотехнологических процессов. Этому, однако, должны предшествовать всестороннее изучение процессов с технологической точки зрения и экономическая оценка целесообразности такого шага. Интенсификация процесса не всегда приводит к экономической выгоде, а в ряде случаев даже способствует удорожанию конечного продукта.
Примером взвешенного подхода является использование ///(-микроволнового энергопривода для’выпечки подового хлеба, а также обжарки и сушки сдобных сухарей, позволившее наряду с интенсификацией процессов в тестовой заготовке снизить удельные энергозатраты и повысить питательную ценность готовых изделий [3]. Таким образом направленным действием фактора интенсификации в этой технологии явилось повышение питательной ценности конечного продукта и снижение удельных энергозатрат.
Наибольшую выгоду от микроволнового энергопривода можно получить при использовании его на стадиях, на которых формируются качественные показатели конечной продукции. Так, микроволновая обработка табака [4] позволила инактивировать автолитические процессы в ткани табачного листа и, тем самым, сохранить его цвет, а также совместить процессы конвективной сушки, инактивации ферментных систем, разрыхления структуры листовой пластинки и жилки. Микроволновая обработка табачных листьев в импульсно-периодическом режиме перед их ферментацией способствовала, кроме инактивирующего действия, процессу комплексной термообработки полуфабрикатов и повышению сортности готовой продукции, снижению ее себестоимости и значительно интенсифицировала процесс томления табака.
С целью снижения доли микроволновой энергии в удельных энергозатратах целесообразно обрабатывать отдельные компоненты исходных пищевых конгломератов, играющие важную роль в процессе приготовления конечного продукта. Так, использование микроволновой энергии при обработке ферментных препаратов (амилосубтилин Г10Х) и ферментсодержащих систем (прессованные пивоваренные дрожжи) приводит к увеличению их ферментативной (в 1,5—1,7 раза) и бродильной (в 3-5 раза) активности. Через 5-8 ч остаточная активность ферментов уменьшается и может составить 10-25% от первоначальной [5, 6]. Применение микроволновых технологий для обработки активированных ферментсодержащих систем стабилизирует микробиологические процессы в бродильном производстве.
Использование микроволновой обработки отдельных компонентов конгломерата сырья при производстве сдобных сухарей [7] предусматривает специальную энергоинформационную обработку в микроволновом поле водного раствора смеси хле-
бопекарных дрожжей, молочной сыворотки,сахара и пектинсодержащих добавок (яблочный и гранатовый порошки). Наличие энергоинформационной субстанции на поверхности мембраны клетки дрожжей позволяет изменить ее проницательную способность (мембранный эффект) и стимулирует миграцию питательных веществ внутрь клетки, что приводит к стабилизации активности внутриклеточных ферментов и образованию гидратирующихся сахаров в процессе гидролиза. Такая активизированная добавка при приготовлении теста для сдобных сухарей помимо интенсифицирующего действия на процессы брожения и расстойки, улучшения структурно-механических и органолептических характеристик готовых изделий и экономии сахара позволяет получить продукт лечебного назначения.
Уникальные свойства микроволнового нагрева (в частности, избирательность диссипации) в процессах комплексной обработки материалов при комбинированных способах подвода энергии могут быть выгодны даже при переработке всей массы продукта, если в технологическом регламенте энергоинформационная субстанция используется на стадии своих уникальных возможностей. Пример тому — микроволново-конвективная сушка [7] дефектного зерна пшеницы, проросшего или пораженного клопом-черепашкой. Микроволновая энергоинформационная субстанция используется только в начальной стадии технологического процесса для преодоления теплоинерционности зерна, локализации энергии в зонах сосредоточения влаги и частичной ее потери, инактивации авголити-ческих и протеолитических процессов, усиления эффекта канализации влаги к периферийным слоям поверхности каждой зерновки. В дальнейшем зерновая масса досушивается до кондиционной влажности традиционным способом, суммарная длительность процесса сушки при этом значительно сокращается. Аналогичная ступенчатая обработка влажного зерна тритикале позволяет укрепить его клейковину настолько, что полученный из него хлеб отвечает необходимым требованиям 18].
Исследования по формированию укрупненных партий зерна способом [8] показали, что микроволновая обработка дефектного зерна перед рециркуляционно-конвективной сушкой всей зерновой массы в потоке способствует интенсификации процесса сушки и повышению классности партий. Микроволновая технология направленного действия [8, 9] позволяет возвратить в хлебопекарную промышленность дефектное зерно пшеницы.
Избирательность диссипации микроволновой энергии, безынерционность ее передачи и возмож» ность управления локальными источниками тепла в заданном режиме могут эффективно использоваться при интенсификации массообменных процессов в системе твердое тело—жидкость. В этом случае капиллярно-поровое пространство твердой фазы целесообразней заполнять полярным растворителем с низким содержанием экстрактивных веществ для предотвращения сорбирования их отдельных компонентов на очищенной поверхности твердой фазы.
Эксперименты показывают, что поглощение энергоинформационной субстанции в микрокапиллярах и порах твердой фазы полярным растворителем приводит не только к значительной ин-
сахара и грана-дионной клетки тельную [улирует !ТКИ, ЧТО утрикле-зующих-
(ТИВИЗИ-
:ста для зующего :стойки, ганолеп-и эконо-:чебного
нагрева 1) в про-иов при 1И могут й массы ламенте пьзуется ;й. При-ушка [7] ли пора-олновая пьзуется ого про-и зерна, ния вла-
ТГОЛИТИ-
силения 1ЫМ сло-«ейшем ИОННОЙ тарная ачитель-)я обра-ет укре-гченный званиям
шенных шровол-«цирку-ерновой дии пропартий, о дейет-гкарную
1Ы.
злновой возмож. ш тепла спользо-[ЫХ про-В этом твердой раство-
(ТИВНЫХ
я их от-рхности
ощение [икрока-раство-ной ин-
тенсификации обменных процессов, но и к глубоким необратимым изменениям по всему объему каркаса твердой фазы, увеличению выхода экстрактивных веществ и снижению удельных энергозатрат. Примером выгодного использования микроволновой экстракции является технология выделения из клепки дуба дубильных веществ в производстве крепких напитков, позволяющая насыщать полифенольным комплексом молодые спирты перед их выдержкой [10]. Микроволновую энергоинформационную субстанцию эффективно использовать при активации отработанной спиртосодержащей клепки. Такая технология значительно интенсифицирует процесс удаления спирта, позволяет насытить полифенольным комплексом в виде легкорастворимых веществ периферийные слои клепки, а многократно активированную клепку использовать в качестве натуральных сорбционных фильтров [11].
Таким образом, направленным действием в микроволновых технологиях [10, 11] является рассос-редоточение энергоинформационной субстанции по объему системы полярных молекул, повышение активности растворителя .зблизи сорбированного на каркасе твердой фазы экстрагируемого вещества,* снижение его десорбционного потенциала электродинамическим воздействием и развитие канализационного эффекта бародиффузией.
Разработанные технические решения имеют межотраслевое значение. Они более производительны, позволяют сохранить (а в некоторых случаях значительно улучшить) качество готовой продукции, не имеют аналогов, обладают ноу-хау. Их использование можно контролировать по готовому продукту. Предложенные разработки просты в исполнении и не требуют замены оборудования. Часть из них прошла производственные испытания и может быть экономически оправдана уже в настоящее время. Последняя работа получила международное признание и имеет охранные грамоты в десяти странах (Англия, Германия, США, Франция, Япония и др.).
Взвешенный подход к выбору способа энергоинформационного обеспечения на той или иной стадии технологических регламентов процессов приготовления пищи позволяет использовать разработанные технологии в следующих отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности [12]: зерноперерабатывающая — сушка дефектного зерна и его дезинсекция;
хлебопекарная — комбинированные способы выпечки, сушки, расстойки теста-хлеба;
спиртовая и винодельческая — производство крепких напитков, модернизация традиционных и разработка принципиально новых технологических процессов;
пиво-безалкогольная — пастеризация пива в потоке, интенсификация процесса прорастания солода, получение высококонцентрированных экстрактов из вторичного сырья;
микробиологическая — интенсификация биохимических процессов ферментативного гидролиза и утилизация отходов производства;
чайная и табачная — модернизация традиционных, разработка новых теплотехнологических процессов переработки и утилизации отходов.
Фундаментальные исследования в области взаимодействия вещества и многомодового электромагнитного поля помогут вскрыть особенности этого
взаимодеиствия, присущие каждому диапазону волн и обусловливающие выбор той или иной технологической модели.
Изучение физико-химических свойств гетерогенных систем с неравномерно распределенной влагой и систематизация сведений об энергоинформационном управлении технологическими процессами, базирующимися на тепловых и нетепловых эффектах, может стимулировать развитие нового направления в технологических исследованиях — энергоинформационной кибернетики процессов пищевой индустрии.
выводы
1. С целью снижения трансформируемой плотности мощности в периферийных слоях объектов термообработки и предотвращения угрозы их экологического загрязнения при интенсификации теплотехнологических процессов необходимо использовать бесконтактные способы объемного нагрева, предварительно взвесив экономическую целесообразность этого шага.
2. Избирательное поглощение микроволновой энергии системой полярных молекул, неравномерно распределенных в капиллярно-поровом пространстве радиопрозрачных гетерогенных каркасов, является безальтернативным способом локализации энергоинформационной субстанции по объему объектов термообработки. Этот феномен комплексного взаимодействия вещества и поля приводит к необратимым изменениям в капиллярно-пористой коллоидной структуре твердой фазы в процессах экстракции, сушки, термообработки, активации, инактивации, варки, пастеризации, стерилизации, дезинсекции, вспучивания и др.
3. Совокупность сведений об энергоинформационном управлении технологическими процессами теплового и нетеплового уровня мощности целесообразно систематизировать и развить в новое'направление технологических исследований — энергоинформационную кибернетику процессов пищевой индустрии.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
Красников В.В. Модели теплотехнологических процессов в пищевых отраслях промышленности / Тез. докл. Респ. науч.-техн. конф.’’Проблемы энергетики теплотехно-логии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье”. — М., 1994. — С. 54.
Губиев Ю.К. Перспективы микроволновых технологий в пищевой промышленности / / Изв. вузов, Пищевая технология. — 1986. — № 2. — С. 13.
3. А.с. 894899 СССР. Способ выпечки хлеба / Л.И. Пучкова, Ю.К. Губиев, Н.В. Лабутина, Р.Д. Лукьянчук, В.В. Красников, Ю.Д. Пьянов. МТИПП (СССР). № 2900141/28-13: Заявл. 26.03.80.
4. Губиев Ю.К., Усачев С.Г., Леончик Б.И. Некоторые особенности термической обработки табака в многомодовом электромагнитном поле СВЧ / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1984. — № 5. — С. 47.
Попадич И.А., Губиев Ю.К., Куликова Л.С. Активация ферментных препаратов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1978. — № 2. — С. 112.
А.с. 588234 СССР. Способ активации дрожжей / Ю.К. Губиев. А.П. Мартунян, А.И. Ляная и др.; МТИПП (СССР). № 2336891/28-13; Заяв. 23.06.71; Опубл. 25.01.78: Бюл. № 2.
А.с. 1524212 СССР. Способ производства сдобных сухарей / Ю.К. Губиев, Л.И. Пучкова, Г.Д. Шарипова и др.; МТИПП (СССР). № 4324847/31-13; Заяв. 06.11.87.
5.
6.
7.
8. Л с .V 8175Г>Г> СССР. Способ нриготоплеиим черна к переработке н \ivkv / Л.Я. Лучрмам. ІО.К. 1 Чбием. JI.B. SI коплена и ли.: М1І1І1І1 (С.С.СІ5). Лї-і,.>И,)Г..)/-ІК-і:<: Заяв. 07.<ІЧ.К0.
‘.І. Губиев ІО.К., Пупков С.П., Джорогян Г.А., Крмекба-ев С.Г>. Повними процесі он комплексной обработки черна перед хранением / Те.!, локл. Междунар. конф. "Прпірес сипние технологии и техники її иитеной промышленности". — Краснодар, І'.І'.И. — С.ЗЗ.
!0. Л.с. 5.40202 СССР. Способ выделения дубильних веществ и:< древесины дуби / ІО.К. Губиев. Л.11. Учиков, ІІ.Н. Иванов и др.: МГШ Ill и Росвинпіамнинпром М! IIІ РСФСР (СССР). .V' 2'1'.ік‘.Ш7/23~13: Заяв. 23.iMi.77: Опубл. 30.10.78.
11. Л.с. I l'.W.37:i СССР. Способ co tpenaiimi крепких напитков / К).К 1Чоиен. И.В Красников. ll.ll. Ьакулин и др.: МТИПН и Роснимпампанпром МИН РСФСР (СССР). Л" 1~>IN47K/2K-1Ч; Знчв. Of.П.82: Опубл. 07.12.8.); Iiюл. .V 15.
12. Губиев Ю.К. Микронолнопян чпертетика н процессах пищевой иплоте.хнологии / le:i. докл. Рссп. наун.-техн. конф. "Проблемы энергцтики тсплигехполопш и отраелнх АПК. перерабатывающих растительное сырье". — М.. РКП. — С. 28.
Отделение бночмергетики Кафедра физики
Иш-тцпи.ш 05.11.91
664.1.054 +664.135:534-6
ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ НА КРИСТАЛЛАХ САХАРОЗЫ И ЛАКТОЗЫ ПРИ И НФ РАЗ БУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Л.Г. ІМГ-СТОВ. С.М. ПГТРОВ
Норпнсжскач .'Г)си<)орстт‘чнан пісїнололич^склі лкіпігина Московская <'осіі<)арстг<і!нн{іч ака< мич тіщаш,їх проилноОстн
П|1И исследовании процессов тепломассообмена н днсперсных системах акустическими методами установлено позитивное влияние низкочастотного акустического поля, в том числе и на кристаллизующиеся сахарные утфели І1, 2|. При этом данные о механизме влияния колебании на массоот-дачу базируются на гипотезах воздействия на пограничный слой и н<; содержат количественных соотношений |3].
Изучали периодическое уваривание сахарных утфелей I и II кристаллизации различной частоты У при виброперемеижвании инфразвуковыми (частота / = 10 - 12.5 с ') гармоническими колебаниями (амплитуда А = 3-10 м). Интенсивность
виброноздействия оценивали мощностью колебаний, создаваемых н утфеле вибрирующей насадкой, с использованием обобщенного показателя / = А"’/'* 141. Для изучения кинетических закономерностей протекания процесса изогидрической кристаллизации лактозы при виброперемеижвании’применяли специально разработанную пилотную установку, включающую вертикальный корпус полезной емкостью 5 дм с т еплообмен поп рубашкой и эллипсоидным днищем, а также перемешивающее устройство в виде вертикального штока с четырьмя дисками, перфорированными коническими канатами. Шток соединялся с вибро-возбудителем на базе регулируемого эксцентрикового механизма (диапазоны варьирования / = 5 -
19
л = 0 - 10-10 м)
Полученные экспериментальные данные позволили рассчитать толщину гидродинамического и диффузионного пограничных слоев на кристаллах сахарозы и лактозы. Расчеты имеют приближенный характер, поскольку используются оценки порядка величины производных, входящих в урав-
нения конвективной диффузии и Навье—Стокса. Для интерпретации результатов экспериментов воспользуемся следующим математическим аппаратом.
Преобразованное уравнение конвективной диффузии. в конвективную часть которого входит [5| амплитуда &и колебательной скорости, может быть записано:
( v + А и ) gradC - D \ 'С — 0 .
(1)
где
и — средняя скорость движения жидкости, м/с;
С — относительная масса сахарозы в растворе, (кг/кг Н,0);
D — коэффициент молекулярної! диффузии, м~;
Av = (і)Л = 2.7/Л и гармонически изменяется со временем
Ас = Аа> sin мі, (2)
где
а/ —
круговая частота, с ; время, с.
Используем также уравнение Навье—Стокса, в которое на основании принципа Даламбера'включены колебательные сипы инерции и вязкости |5]:
р я — ргснП*, 4 /(V и+[1\'Ч.&и) - /> (г цт<])и —
- р, (Аг.' цга<1 )Лг; = 0 . (3)
где
!>, ' а
п..
плотность жидкои среды, кг/ м ; гравитационная постянная, м/с'; статическое давление в жидкости, Па;
,и ■—■ динамическая вязкость. Па-с. Стационарный процесс переноса вещества при двухмерном течении жидкости описывается следующей формой уравнения конвективной диффузии
dC dC n
"'ЇГ* ',Ц-а
£С :JC
dx: d if
(4)
где V, И V — компоненты вектора скорости жидкости по координатам .V и у.
Обі ного с водны
где
По;
Пос
б.тизкі
ского
писал
где
Для
нестнс
где
Умі
ПО крі чить. ружан ' По/ слагае
Из
где
По/
разон;
дифф)
где Si
Вш урани ними мим і-муле гидро.
