CC BY
3
УДК 664.292:66.047.5.96
DOI 10.24412/2311-6447-2023-2-210-216
Разработка и опытно-промышленные испытания рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки пектинового концентрата
Development and pilot tests of the rational mode of convective radiation spray drying of pectin concentrate
Ассистент С.А. Свирина, зав. кафедрой Н.П. Мемедейкина, доцент Э.Р. Теличкина,
Астраханский государственный технический университет, кафедра технологических машин и оборудования, тел. 8(927)581-64-87, svetlanasv97@yandex.ru
проректор по научной работе и инновациям Ю.А. Максименко, Астраханский государственный технический университет, тел. (8512) 61-44-69, amxs l@yandex.ru
профессор А.В. Котельников Астраханский государственный технический университет, кафедра гидробиологии и общей экологии, тел. (8512) 61-42-73, kotas@inbox.ru
Assistant S.A. Svirina, Head of the Department N.P. Memedeikina, Associate Professor E.R. Telichkina,
Astrakhan state technical university, chair of Technological Machines and Machinery, tel. 8(927)581-64-87, svetlanasv97@yandex.ru
Vice rector for scientific work and innovations Yu.A. Maksimenko, Astrakhan state technical university, tel. (8512) 61-44-69, amxs l@vandex.ru
Associate Professor A.V. Kotelnikov Astrakhan state technical university, chair of Hydrobiology and general ecology, tel. (8512) 61-42-73, kotas@inbox.ru
Аннотация Решена задача рационализации сушильного процесса при конвективно-радиационной распылительной сушке пектинового концентрата. Для расчета рациональных параметров процесса сушки установлены функциональные зависимости удельной производительности сушилки и удельной влагонапряженности рабочего объема сушильной камеры от влияющих параметров. Выполнены опытно-промышленные испытания установленного рационального режима сушки пектинового концентрата. Предложены варианты внедрения результатов исследований.
Abstract. The problem of rationalization of the drying process during convective radiation spray drying of pectin concentrate is solved. To calculate the rational parameters of the drying process, the functional dependences of the specific productivity of the dryer and the specific moisture stress of the working volume of the drying chamber on the influencing parameters are established. Pilot-industrial tests of the established rational mode of drying of pectin concentrate were carried out. Variants of the implementation of research results are proposed.
Ключевые слова: распылительная сушка, пектин, пектиновый концентрат, рациональный режим сушки
Keywords: spray drying, pectin, pectin concentrate, rational drying mode
Для производства сухих дисперсных пищевых материалов применяются распылительные сушильные установки с конвективным подводом теплоты в зону сушки, которые обеспечивают эффективное обезвоживание пастообразных и жидких пищевых материалов. Перспективными в плане практической реализации являются
© С.А. Свирина, Н.П. Мемедейкина, Э.Р. Теличкина, Ю.А. Максименко, А.В. Котельников, 2023
результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по развитию техники и технологии распылительной сушки [1,2,3], в которых даны предложения по конструктивному исполнению сушилок, моделированию и управлению процессами и варианты реализации ряда технологических приемов для налаживания выпуска дисперсных пищевых материалов - порошков.
Выполнены исследования по совершенствованию процесса конвективно-радиационной распылительной сушки пектиновых концентратов с учетом рекомендаций [4-7]. Целевой функцией выбрана удельная производительность, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-ч), для вычисления которого выход (расход) готового продукта Си7*, кг/ч, был отнесен к рабочему объему сушильной камеры У(гс), м3, который оценивался по установленной эмпирической зависимости ]/(тс) = 0,078 тс. Зависимость У(гс) получена эмпирически и справедлива для условий проведения экспериментов (табл. 1).
Для выполнения исследований был использован пектиновый концентрат, очищенный от балластных веществ и упаренный до влажности 0,9 кг/кг. Партии пектина предварительно были получены с использованием научного, лабораторного и ош>1Тно-промышленного оборудования Центра научно-инновационного развития и кафедры «Технологические машины и оборудование» Астраханского государственного технического университета и ООО «Инновационные технологии продуктов питания» в соответствии с технологией (патент РФ № 2309607) при переработке тыквы (сорт «Лечебная»).
В качестве влияющих на интенсивность процесса влагоудаления параметров [8, 4, 9, 10, 11, 12, 13] выбраны: температура теплоносителя Тс.а., К и Ер, кВт/м2. Границы варьирования параметров Ер = 2,8-3,6 кВт/м2 и Тс.а. = 423-483 К (табл. 1) приняты с учетом особенностей технологии конвективно-радиационной распылительной сушки.
Таблица 1
Влияющие параметры и уровни варьирования
Уровни Тс.а., К Ер, кВт/м2
1 423 2,8
2 443 3,2
3 463 3,6
При различных сочетаниях значений влияющих факторов, установлено время сушки гс, с (табл. 2) продуктов от начальной ИУн, кг/кг, до принятой конечной влажности высушенного продукта Шк, кг/кг.
II = С!ту(г
Х , (1) Выход (расход) готового продукта Ощщ кг/ч:
т~ /(1-Ю
Х , (2)
Учитывая взаимосвязь производительности сушилки по готовому продукту и
производительности по испаренной влаге, получено уравнение для расчета влагона-
пряжеыности рабочего объема сушильной камеры В, кг/(м3-ч):
П • (1¥н - Ц'к) С]Пк ■ (1¥н - ¡¥к)
В =
(1 -Жн) У-(1-1¥н)
Таблица 2
Значения удельных производительности и влагонапряженности при сушке пектинового концентрата
№ эксп. Тс.а., К Ер, кВт/ м2 Шн, кг/кг Шк, кг/кг Оц/н, кг/ч Ошк, кг/ч 1С, С Ау, м3/с V, м3 А кг/ (м3ч) в, кг/(м3ч)
1 423 2,8 0,9 0,05 5 0,526 7 0,078 0,5460 0,964 8,194
2 423 3,2 0,9 0,05 5 0,526 5,75 0,078 0,4485 1,174 9,975
3 423 3,6 0,9 0,05 5 0,526 5 0,078 0,3900 1,350 11,471
4 443 2,8 0,9 0,05 5 0,526 6,5 0,078 0,5070 1,038 8,824
5 443 3,2 0,9 0,05 5 0,526 5,25 0,078 0,4095 1,285 10,925
6 443 3,6 0,9 0,05 5 0,526 4,5 0,078 0,3510 1,499 12,746
7 463 2,8 0,9 0,05 5 0,526 6,75 0,078 0,5265 1,000 8,497
8 463 3,2 0,9 0,05 5 0,526 5,5 0,078 0,4290 1,227 10,428
9 463 3,6 0,9 0,05 5 0,526 4,75 0,078 0,3705 1,421 11,910
Получены аппроксимирующие зависимости функций от влияющих параметров:
П(Тс.а., Ер) = (ап, • Тел1 + Ьп, • Тс.а. + см) ■ Ер2 +
+ (С • Тс-а-2 + е» •Тса- + Л) • ЕР + (§» •Тса-2 + К •Тсл- + К)
(4)
В (Тс.а., Ер) =
(т-Щ (1 -щ
(ац, • Тс.а2 + Ьп, ■ Тс.а. + см,) • Ер2 + + • Тс.а 2 + • Тс.а. + /и,) ■• Ер +
(5)
где аш, Ььи> Сш, с1и>, бш, /ьи, $ьи, Ь-ю, ки>, — коэффициенты в эмпирических уравнениях (табл. 3).
Таблица 3
Коэффициенты в эмпирических уравнениях (4) и (5)
аш'106 -4,291973 и-ю-в -29504706,07
Ьго-10"6 3806,40182 дго-10-6 324,667706
Си/10"6 -946926,4806 /гШ'Ю"6 -289816,6342
сШО-6 -154,202171 кьи- Ю-6 63058236,82
его-1 Об 137703,2936 -
Размерность эмпирических коэффициентов (табл. 3) равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов). Поля значений удельной производительности и удельной влагонапряженности объема сушильной камеры (рис. 1 и 2) построены с использованием функциональных зависимостей (4) и (5).
Рис. 1. Поле значений удельной производительности рабочего объема сушильной камеры при сушке пектинового концентрата
Рис. 2. Поле значений удельной влагонапряженности рабочего объема сушильной камеры при сушке пектинового концентрата
Рациональный режим установлен с использованием зависимостей (4) и (5) в среде программного обеспечения Mathcad Professional с помощью функции «Maximize». Для обоснования промышленного внедрения рационального режима выполнен анализ качественных показателей опытных и опытно-промышленных образцов пектина. Максимальные значения целевых функций (удельной производительности и удельной влагонапряженности), время и рациональный режим распылительной сушки: П = 1,502 кг/(м3-ч), В = 12,769 кг/(м3-ч), гс= 4,5 с, Тс.а. = 446 К, Ер = 3,6 кВт/м2.
Доказано, что эффективное обезвоживание пектинового концентрата при распылительной сушке в условиях комбинированного конвективно-радиационного энергоподвода необходимо производить при следующих значениях режимных параметров:
-характеристики пектинового концентрата - начальная влажность Wh = 0,9 кг/кг, конечная влажность порошка Wk < 0,05 кг/кг, исходная температура концентрата Тпрод = 313 К, температура сухого порошка < 333 К;
-радиационная составляющая энергоподвода обеспечивается инфракрасными излучателями, расположенными круговым массивом по внутренней поверхности и по высоте сушильной камеры при плотности теплового потока Ер = 2,8-3,6 кВт/м2;
-конвективная составляющая энергоподвода - обеспечивается подводом нагретого воздуха с исходной температурой Тс.а. = 423-463 К при удельном расходе воздуха Qc.a. > 20кг/кг на 1 кг испаренной влаги при этом температура отработавшего сушильного агента - воздуха на выходе из зоны сушки < 343 К;
-способ распыления пектинового концентрата (акустический, механический и др.) при начальном диаметре распыленных капель продукта 20-30 мкм;
-время сушки составляет гс = 4,5-7 с.
-достигается удельная производительность рабочего объема сушильной камеры по сухому порошку П = 0,964-1,502 кг/(м3-ч), при этом удельная влагонапряжен-ность рабочего объема сушильной камеры составит В = 8,194-12,769 кг/(м3-ч).
Функциональные зависимости удельной производительности (4) и удельной влагонапряженности рабочего объема сушильной камеры (5) следует использовать для расчета режимных параметров при проектировании, пуско/наладке и эксплуатации распылительных сушилок.
Для реализации рекомендованных способа и режимов сушки пектинового концентрата предлагаются следующие варианты внедрения: модернизировать существующие конструкции конвективных распылительных сушилок за счет установки инфракрасных излучателей и отражателей в рабочей камере или внедрить конструкцию конвективно - радиационной распылительной сушилки (патент РФ на полезную модель 216695 РФ).
При проведении опытно-промышленных испытаний способа и режимов конвективно-радиационной распылительной сушки выполнялась сушка пектиновых
концентратов с начальной влажностью 0,9 кг/кг, полученных из тыквы (сорт «Лечебная») и кабачка (сорт «Кавили»). Пектиновый концентрат представлял собой очищенный от балластных веществ и упаренный до влажности 0,9 кг/кг пектиновый экстракт, направляемый на сушку при реализации технологии. Дополнительно с целью комплексного анализа полученных результатов были проведены испытания предложенных способа и режимов сушки для пектинового концентрата с начальной влажностью 0,9 кг/кг, которая достигалась добавлением необходимого количества воды к образцам яблочного пектина (высокоэтерифицированный пектин HSA181 (СЭ 70-78 %), поставщик ГК ETC).
Опытно-промышленные испытания выполнялись на базе научно-производственного отдела изготовления комбикормов для объектов аквакультуры филиала по пресноводному рыбному хозяйству ФГБНУ «ВНИРО» («ВНИИПРХ»). Проведены следующие работы с использованием модернизированной промышленной распылительной сушильной установки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8 (рис. 3): исследование процесса распылительной сушки; анализ влияния основных параметров на производительность установки; тестирование режимов распылительной сушки пектиновых концентратов; получение опытно-промышленных партий продукции.
Рис. 3. Установка распылительной сушки
При проведении опыта оборудование работало стабильно, исправно. Далее была выполнена оценка показателей качества, полученных образцов продукции. В ходе анализа использовались методики согласно ГОСТ 29186-91 «Пектин. Технические условия», который применим для пектина, полученного из яблочных выжимок. Установлено, что полученные опытно-промышленные партии продукции имеют высокие качественные показатели, а пектин, полученный из яблочных выжимок, соответствует ряду требований ГОСТ 29186-91 «Пектин. Технические условия», по которым произведена оценка качества, следовательно, можно сделать вывод о практической значимости разработанных способа и режимов сушки пектинового концентрата для получения качественного пектина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. на полезную модель 160793 РФ, МПК F26B 17/10 (2006.01), F26B 3/12 (2006.01). Распылительная сушилка / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова, Э.Р. Теличкина, O.E. Губа. - 2015120308/06; заявл. 28.05.2015; опубл.: 10.04.2016 Бюл. № 10.
2. Пат. на полезную модель 170613 РФ, МПК F26B 17/10 (2006.01), F26B 3/30 (2006.01). Распылительная сушилка / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова, Н.Э. Пшеничная, Э.Р. Теличкина, Н.П. Васина. - 2016129795; заявл. 20.07.2016; опубл. 02.05.2017 Бюл. № 13.
3. Максименко, Ю.А. Анализ эффективности работы распылительных сушилок при обезвоживании растительных материалов / Ю.А. Максименко, Э.Р. Теличкина, Р.С. Теличкин // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2018. - № 3(23). - С. 55-62.
4. Алексанян, И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: автореф. дис. ... доктора техн. наук : 05.18.12 / Алексанян Игорь Юрьевич - М.: МГУПП, 2001. - 52 с.
5. Максименко, Ю.А. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: Дис. ... докт. техн. наук. Астрахань, 2016. 502 с.
6. Теличкин, Р.С. Разработка и научное обоснование способа распылительной сушки экстракта зеленого чая: Дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 / Теличкин Роман Сергеевич; Астрахань, 2020. 187 с.
7. Феклунова, Ю.С. Разработка и научное обоснование способа распылительной сушки пюре из тыквы при конвективно-радиационном энергоподводе: Дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 / Феклунова Юлия Сергеевна; Астрахань, 2015. - 205 с.
8. Алексанян, И.Ю. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносуш-ка. Теория. Практика. Моделирование: Монография / И.Ю. Алексанян, А.А. Буй-нов // Астрахань: АГТУ, 2004. - 380 с.
9. Петровичев, О.А. Исследование тепломассообменных и гидромеханических процессов при распылительной сушке пектинового экстракта: диссертация ... кандидата техн. наук : 01.04.14 / Петровичев Олег Александрович. Астрахань, 2007. -172 е.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5462.
10. Попова, С.Б. Совершенствование процесса сушки тыквы в технологии плодовоовощных концентратов: Дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12: Астрахань, 2004. 220 с.
REFERENCES
1. Pat. па poleznuyu model' 160793 RF, MPK F26B 17/10 (2006.01), F26B 3/12 (2006.01). Raspylitel'naya sushilka [Spray Dryer], I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksi-menko, Yu.S. Feklunova, E.R. Telichkina, O.E. Guba; Patentoobladatel': Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego profession-al'nogo obrazovaniya "Astrakhanskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet", FGBOU VPO "AGTU". - 2015120308/06; zayavl. 28.05.2015; opubl.: 10.04.2016 Byul. №10 (Russian).
2. Pat. na poleznuyu model' 170613 RF, MPK F26B 17/10 (2006.01), F26B 3/30 (2006.01). Raspylitel'naya sushilka [Spray Diyer], I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksi-menko, Yu.S. Feklunova, N.E. Pshenichnaya, E.R. Telichkina, N.P. Vasina; Patentoobladatel': Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya "Astrakhanskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet", FGBOU VO "AGTU". - 2016129795; zayavl. 20.07.2016;' opubl. 02.05.2017 Byul. № 13 (Russian).
3. Maksimenko, Yu. A. Analiz effektivnosti raboty raspy lite l'nykh sushilok pri obezvozhivanii rastitel'nykh materialov [Analysis of the efficiency of spray dryers in the dewatering of plant materials], Yu. A. Maksimenko, E. R. Telichkina, R. S. Telichkin, Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK - produkty zdo-rovogo pitaniya. 2018. No. 3(23). Pp. 55-62 (Russian).
4. Aleksanyan, I.Yu. Razvitie nauchnykh osnov protsessov vysokointensivnoy su-shki produktov zhivotnogo i rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Development of scientific foundations of the processes of high-intensity drying of animal and vegetable products]: avtoref. dis. ... doktora tekhn. nauk : 05.18.12, Aleksanyan Igor' Yur'evich, M.: MGUPP, 2001, 52 pp. (Russian).
5. Maksimenko Yu.A. Razvitie nauchno-prakticheskikh osnov i sovershenstvo-
vanie protsessov sushki rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii [Development of scientific and practical foundations and improvement of drying processes of vegetable raw materials in a dispersed state]: Dis. ... dokt. tekhn. nauk. Astrakhan', 2016. 502 pp. (Russian).
6. Telichkin, R.S. Razrabotka i nauchnoe obosnovanie sposoba raspylitel'noy sushki ekstrakta zelenogo chaya [Development and scientific justification of the method of spray drying of green tea extract]: Dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.12, Telichkin Roman Ser-geevich; Astrakhan', 2020. 187 pp. (Russian).
7. Feklunova, Yu.S. Razrabotka i nauchnoe obosnovanie sposoba raspylitel'noy sushki pyure iz tykvy pri konvektivno-radiatsionnom energopodvode [Development and scientific substantiation of the method of spray drying of pumpkin puree with convective radiation power supply]: Dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.12, Feklunova Yuliya Sergeevna; Astrakhan', 2015. 205 pp. (Russian).
8. Aleksanyan, I.Yu. Vysokointensivnaya sushka pishchevykh produktov. Peno-sushka. Teoriya. Praktika. Modelirovanie: Monografiya [High-intensity drying of food products. Foam gun. Theory. Practice. Modeling: Monograph], I.Yu. Aleksanyan, A.A. Buynov, Astrakhan': AGTU, 2004, 380 pp. (Russian).
9. Petrovichev, O.A. Issledovanie teplomassoobmennykh i gidromekhanicheskikh protsessov pri raspylitel'noy sushke pektinovogo ekstrakta [Investigation of heat and mass transfer and hydro mechanical processes during spray drying of pectin extract]: dissertatsi-ya ... kandidata tekhn. nauk : 01.04.14, Petrovichev Oleg Aleksandrovich. Astrakhan', 2007, 172 pp. il. RGB OD, 61 07-5/5462. (Russian).
10. Popova, S.B. Sovershenstvovanie protsessa sushki tykvy v tekhnologii plodo-voovoshchnykh kontsentratov [Improvement of the pumpkin drying process in the technology of fruit and vegetable concentrates]: Dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.12: Astrakhan', 2004. 220 pp. (Russian).
