CC BY
0
УДК 661
DOI 10.24412/2311-6447-2023-2-199-204
Разработка и оптимизация работы лабораторной вакуумной сушилки со ступенчатым нагревом для отраслей АПК
Development and optimization of the operation of a laboratory vacuum dryer with stepped heating for the agro-industrial complex
Аспирант Э.М. Махамбетов- доцент P.А. Ворошилин, член-корр. РАН А. Ю. Просеков
Кемеровский государственный университет, mahambetovem@kuzstu.ru
Postgraduate Е.М. Makhambetov, Associate Professor R.A. Voroshilin, Corresponding member. RAS A.Yu. Prosekov Kemerovo State University, mahambetovem@kuzstu.ru
Аннотация.. Рассмотрены отечественная и зарубежная литература для разработки лабораторной вакуумной сушилки для сушки материала со ступенчатым нагревом. Данный способ удаления влаги из материала происходит при низком вакууме (ниже 10 кПа). Для регулирования температуры в сушилке использовался терморегулятор ESM-3711-H, особенностью терморегулятора является контроль времени сушки при данной температуре, а для мониторинга влажности и температуры использовался датчик SHTC3. С помощью компьютерного моделирования были проведены тепловые и прочностные расчеты сушильной камеры. В качестве исследуемого образца использовался высокобелковый материал - 16 %-ный раствор желатинового бульона. Была разработана методика сушки для получения сухого желатина, который соответствовал нормативному документу (ГОСТ 11293-2017). Данный процесс сушки желатинового бульона в объёме 400 мл происходил при давлении 9 кПа и при температурах 88, 92, 96 и 100 °С. Образец выливали на противень (470 х 325 мм) тонким слоем (1 мм). Во время эксперимента были выбраны оптимальные критерии (параметры) сушки для получения сухого желатина: 1 ступень сушки 32 °С - 6 мин, 2 ступень сушки 54 °С - 24 мин, 3 ступень сушки 85 °С - 80 мин; время сушки 100 мин; давление 9 кПа. После сушки сухой желатин имел следующие характеристики: масса 2,1 г; светло-жёлтый цвет; без запаха; порошкообразная, рассыпчатая структура; влажность 10 %; содержание белка 93,7 %.
Abstract. In this article, the domestic and foreign literature for the development of a laboratory vacuum dryer for drying material with step heating were considered. This method of removing moisture from the material occurs at a low vacuum (below 10 kPa). To regulate the temperature in the dryer, the ESM-3711-H thermostat was used, the feature of the thermostat is to control the drying time at a given temperature, and the SHTC3 sensor was used to monitor humidity and temperature. With the help of computer modeling, thermal and strength calculations of the drying chamber were carried out to test the chamber for strength. As a test sample, a high-protein material was used - a 16 % solution of gelatin broth, to obtain dry gelatin. During the work, a drying technique was developed to obtain dry gelatin, which corresponded to the normative document (GOST 11293-2017). This process of drying gelatin broth in a volume of 400 ml. took place at a pressure of 9 kPa and at temperatures of 88, 92, 96 and 100 °C. The sample was poured into a baking tray (470 x 325 mm.) with a thin layer (1 mm). During the experiment, the optimal drying criteria (parameters) for obtaining dry gelatin were selected: 1 drying stage 32 ° С - 6 min, 2 drying stage 54 °C - 24 min, 3 drying stage 85 °C - 80 min; drying time 100 min; pressure 9 kPa. After drying, dry gelatin received the following characteristics: weight 2.1g; light yellow color; odorless; powdery, crumbly structure; humidity 10 %; protein content 93.7 %.
Ключевые слова: сушка, вакуум, влажность, вакуумный насос, сушильная камера, температура
Keywords: drying, vacuum, humidity, vacuum pump, drying chamber, temperature
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-4035.2022.4).
© Э.М. Махамбетов, Р.А. Ворошилин, А.Ю. Просеков, 2023
Основное сырье в пищевой промышленности содержит большое количество воды, что приводит к увлажнению продукта и он не может долго храниться. Чтобы этого избежать, готовый продукт подвергают обезвоживанию. Сушка - важный процесс для получения сухих ингредиентов с лучшими функциональными и технологическими свойствами. Один из перспективных способов сушки - вакуумная сушка.
На сегодняшний день существует два способа сушки продуктов: вакуумная сушка при положительной температуре и вакуумная сушка при отрицательной температуре. Чаще всего вакуумным способом сушат материалы, которые облают гигроскопичными свойствами (вещество поглощает водные пары из воздуха) или чувствительны к высоким температурам [1,2]. Основное достоинство вакуумных сушильных установок - быстрый режим. Это обусловлено тем, что в вакууме кипячение воды происходит при малых температурах. Высушенный продукт при таком методе сушки не теряет свой объём по сравнению с другими видами сушки, продукты не подвергаются окислению, т.к. данный процесс полностью тормозится в толще продукта, продукты не подвергаются механическому воздействию.
Цель исследования - разработать вакуумную сушилку ступенчатого действия для сушки твердых и жидких материалов для отраслей АПК. Опыт проводился на разработанном прототипе вакуумной сушильной установки (рис. 1). Отличительной особенность установки является автоматизация сушильной камеры, а также ступенчатый нагрев.
Рис. 1. 3D-модель лабораторной установкой
Установка состоит из 3 основных элементов: сушильной камеры, конденсатора и вакуумного насоса.
Для создания низкого вакуума (105-102 Па) используется вакуумный насос из серии НВР (пластинчато-роторный насос) из-за скорости всасывания (скорость всасывании больше, чем у других насосов); простоты в конструкции и использовании, отсутствии высоких шумов и вибраций, а также максимальной производительности при малых затрат электроэнергии. Конденсатор в установке служит для охлаждения испаряемой влаги из сушильной камеры. После сбора конденсата в конденсаторе открывается вентиль, и жидкость удаляется в сборник.
Сушильная камер представляет собой прямоугольный шкаф с габаритами 665x680x600 мм, сделанный из нержавеющей стали. Внутри камеры располагаются пять полок для поддона, снизу располагается нагревательный элемент, а в задней части - датчик влажности.
Для проверки камеры на работоспособность были произведены 2 расчета:
- тепловой расчет (степень распределения теплоты по камере);
- расчет на прочность (расчет деформации камеры в вакууме).
Данные расчеты были проведены с помощью программы SOLIDWORKS Simulation - эта программа используется для анализа модели путём виртуального тестирования (рис. 2-3).
Рис. 2. Распределение тепла в камере при 95 °С Рис. 3. Прочностный расчет при
«техническом вакууме»
Тепловой расчет проводился при температуре 95 °С. Делая выводы по расчету (рис. 2), можно отметить, что по всей камере повышается температура, кроме угловых участков, что связано с квадратной формой камеры. Минимальная температура на некоторых участках камеры составляет 25 °С, а максимальная - 95 °С.
Расчет на прочность камеры производился при «техническом вакууме» (-99 кПа). Анализируя рис. 3, можно сделать вывод, что камера выдерживает «технический вакуум», максимальная деформация в камере составляет 0,000125 мм, а минимальная - 0 мм.
Отличительной особенностью камеры является добавление автоматизации: датчик влажности SHTC3 и терморегулятор с таймером ESM-3711-H для ступенчатого нагревания. Датчик влажности SHTC3 состоит из двух основных частей: датчика температуры и гигрометра. Полученные данные преобразуются в цифровые сигналы, которые считываются микроконтроллером Arduino Uno. Установленный датчик SHTC3 на задней части камеры присоединяется к микроконтроллеру Arduino Uno, а сам микроконтроллер к персональному компьютеру (ПК) [12]. На экране монитора отображаются значения температуры и влажности в камере. Для регулировки температуры в камере используется терморегулятор ESM-3711-H. Данный терморегулятор предназначен для регулирования нагревания камеры по времени, например, сначала задается температура 28 °С на протяжение 10 мин, а дальше (заранее программированный терморегулятор) автоматически переключается на 35 °С и держит температуру 15 мин и т.д.
В качестве исследуемого образца использовался 16 %-ный раствор желатинового бульона из куриных лап. Желатиновый бульон в объёме 400 мл размещали на противень (470 х 325 мм) ровным тонким слоем (около 1 мм) после чего помещали в сушильную камеру. Сушильную камеру плотно закрывали, включали нагреватель и вакуумный насос. Во время работы сушилки запрограммированный датчик менял температуру 3 раза (3 ступени сушки), сигналы от датчика SHTC3 поступали с помощью специальной программы на ПК. В процессе сушки определялась температура, влажность и время сушки (рис. 4).
Разработанный прототип вакуумной сушилки функционирует следующим образом. Сначала в камеру помещают материал, затем с помощью вакуумного насоса создают вакуум (9 кПа). После создания вакуума с помощью нагревательного элемента камера нагревается. Для ступенчатого нагревания задается 3 ступени температуры: АВ - нагревание материала, ВС - прямолинейная сушка материала, CD -сушка материала до постоянной влажности материала (рис. 4). В процессе сушки водяные пары из материала направляются в конденсатор, после чего жидкость убирают. После окончания сушки сушильную камеру и насос выключают, для охлаждения и выравнивания давления. Затем открывают дверцу сушильного шкафа и высушенный материал собирают из противня.
Эксперименты проводили 4 раза при давлении 9 кПа и конечных температурах сушки 88, 92, 96 и 100 °С для определения оптимальных параметров сушки. По полученным данным из 4 опытов были определены оптимальные параметры сушки: 1 ступень сушки 32 °С - 6 мин, 2 ступень сушки 54 °С - 24 мин, 3 ступень сушки 93 °С - 80 мин; общее время сушки 100 мин (рис. 5).
100
Рис.
время сушки: мин 4. Зависимость температуры от времени сушки
¡e
щ
Щ
PC
50 100
z.x
Время суш ей. мин
Рис. 5. Зависимость влажности от времени сушки Полученный сухой желатин имел светло-жёлтый цвет; без запаха; порошкообразную, рассыпчатую структуру; влажность 10 %; содержание белка 93,7 %. В качестве критериев эффективности процесса сушки принимались нормативные параметры сухого желатина по ГОСТ 11293-2017 (цвет, запах, содержание белка, влажность материала и т.д.).
Таким образом, в процессе проведения исследований была разработана экспериментальная вакуумная сушилка. Сушилка оснащена автоматизированными датчиками, регулирующими ступенчатый нагрев материала внутри камеры, что обеспечивает плавный, равномерный нагрев, а также датчиками контроля влажности внутри камеры. Данные процессы осуществляются с помощью платы Arduino UNO, состоящая из чипа ATmega, и ступенчатого терморегулятора STC-1000.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев, В. Н. Технология сушки. Основы тепло- и массопереноса / В. Н. Васильев, В. Е. Кулакова, С. В. Фролов. — СПб.: ГИОРД, 2013.
2. Хасаншина Р.Т. Разработка энергосберегающих технологий в области вакуумной сушки материалов / Р.Т. Хасаншина, А.И. Ахметов / / Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2015. сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции: в 4-х томах. - 2015. - С. 233-236.
3. Патент № 2426462 Российская Федерация, МПК А23ЬЗ/44. Способ вакуумной сушки/ Просеков А.Ю., Ермолаев В.А., Иванова С.А. № 2010107834/13. Заявлено 03.03.2010; Опубл. 20.08.2011.
4. Патент № 2299385 Российская Федерация, МПК F26B 9/06, F26B 5/04. Устройство вакуумной сушки и способ вакуумной сушки/ Ермаков С.А. № 2005137901/06. Заявлено 05.12.2005; Опубл. 20.05.2007.
5. Атаназевич, В. И. Сушка пищевых продуктов / В. И. Атаназевич. - Москва: ДеЛи, 2000. - 296 с. - Текст: непосредственный.
6. Вакуумная инфракрасная сушка - технология щадящей переработки растительного и животного сырья / Л. Б. Ратникова, П. Е. Влощинский, Г. И. Широченко [и др.]. - Текст: непосредственный // Вестник Сибирского университета потребительской кооперации. - 2012. - № 1(2). - С. 96-101.
7. Ricardo L. Monteiro, Jade V. Link, Giustino Tribuzi, Bruno A.M. Carciofi, Joao B. Laurindo. Microwave vacuum drying and multi-flash drying of pumpkin slices. Journal of Food Engineering, Volume232, September 2018, July 2006, Pagesl-10
8. Semenov, G.V. Resource-efficient processes of vacuum dehydration of multi-component thermolabile materials in applied biotechnology/ G.V.Semenov, M.S. Bulkin, E.V. Budantsev//Workshop of scientists of Russia and members of ASEAN «Application of modern biotechnologies in food industry». -Hanoi, Vietnam, 2010. -P. 145-155.
9. Puschner P., Louise Lob Siok Hoon Microwave vacuum drying of fruits & vegetables. The 5th Asia-Pacific Drying Conference (ADCO7) August 13-15, 2007, Hong Kong.
10. Hong-Ping Cheng. Analysis of heat transfer mechanism for shelf vacuum freeze-drying equipment / Hong-Ping Cheng, Shian-Min Tsai, Chin-Chi Cheng // Advances in Materials Science and Engineering [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1155/2014/515180 , свободный (17.11.2014)., Volume 2014 (2014), Article ID 515180, 7 pages.
REFERENCES
1. Vasil'ev, V. N. Tekhnologiya sushki. Osnovy teplo- i massoperenosa [JDrying technology. Fundamentals of heat and mass transfer , V. N. Vasil'ev, V. E. Kulakova, S. V. Frolov. — St. Petersburg: GIORD, 2013. (Russian)
2. Hasanshina R.T. Razrabotka energosberegayushchih tekhnologij v oblasti vakuumnoj sushki materialov , R.T. Hasanshina, A.I. Ahmetov , Pokolenie budushche-go: Vzglyad molodyh uchenyh - 2015. sbornik nauchnyh statej 4-j Mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii: v 4-h tomah. - 2015. - pp. 233-236. (Russian)
3. Patent № 2426462 Rossijskaya Federaciya, MPK A23L3/44. Sposob vakuumnoj sushki [Vacuum drying method], Prosekov A.Yu., Ermolaev V.A., Ivanova S.A. № 2010107834/13. Zayavleno 03.03.2010; Opubl. 20.08.2011. (Russian)
4. Patent № 2299385 Rossijskaya Federaciya, MPK F26B 9/06, F26B 5/04. Ustrojstvo vakuumnoj sushki i sposob vakuumnoj sushki [Vacuum drying device and vacuum drying method], Ermakov S.A. № 2005137901/06. Zayavleno 05.12.2005; Opubl. 20.05.2007. (Russian)
5. Atanazevich, V. I. Sushka pishchevyh produktov [Drying of food products] , V. I. Atanazevich. - Moskva: DeLi, 2000. - 296 pp. - Tekst: neposredstvennyj. (Russian)
6. Vakuumnaya infrakrasnaya sushka - tekhnologiya shchadyashchej pererabotki rastitel'nogo i zhivotnogo syr'ya [Vacuum infrared drying is a technology of gentle processing of vegetable and animal raw materials] , L. B. Ratnikova, P. E. Vloshchinskij, G. I. Shirochenko [i dr.]. - Tekst: neposredstvennyj , Vestnik Sibirskogo universiteta po-trebitel'skoj kooperacii. - 2012. - No 1(2). - pp. 96-101. (Russian)
7. Ricardo L. Monteiro, Jade V. Link, Giustino Tribuzi, Bruno A.M. Carciofi, Joao B. Laurindo. Microwave vacuum drying and multi-flash drying of pumpkin slices. Journal of Food Engineering, Volume232, September 2018, July 2006, Pagesl-10
8. Semenov, G.V. Resource-efficient processes of vacuum dehydration of multi-component thermolabile materials in applied biotechnology, G.V.Semenov, M.S. Bulkin,
E.V. Budantsev/ /Workshop of scientists of Russia and members of ASEAN «Application of modern biotechnologies in food industry». -Hanoi, Vietnam, 2010. -pp. 145-155.
9. Puschner P., Louise Loh Siok Hoon Microwave vacuum drying of fruits & vegetables. The 5th Asia-Pacific Diying Conference (ADC07) August 13-15, 2007, Hong Kong.
10. Hong-Ping Cheng. Analysis of heat transfer mechanism for shelf vacuum freeze-drying equipment / Hong-Ping Cheng, Shian-Min Tsai, Chin-Chi Cheng // Advances in Materials Science and Engineering [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1155/2014/515180 , свободный (17.11.2014)., Volume 2014 (2014), Article ID 515180, 7 pages.
11. Dern, C. Considerations when specifying ultimate freeze drying vacuum. The Information Source for the Pharmaceutical Manufacturing Industry Pharmaceutical Online. January 27, 2006. Available at: http://www.pharmaceuticalonline.com (accessed 17.11.2014).
12. Hutro N.N. , Zhidkih K.S. , Avdeev B.A. Ustanovka dlya avtomaticheskoj su-shki elektrodvigatelej vneshnimi nagrevatel'nymi ustrojstvami [Tekst] [Installation for automatic diying of electric motors by external heating devices], Obrazovanie, nauka i molodezh' - 2018./ Kerch', 2018. - pp. 185-190. (Russian).
