Научная статья на тему 'Разработка конструкции лиофильной сушилки для термолабильных продуктов'

Разработка конструкции лиофильной сушилки для термолабильных продуктов Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

CC BY
826
130
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННАЯ (ЛИОФИЛЬНАЯ) СУШКА / ИСПАРИТЕЛЬНОЕ САМОЗАМОРАЖИВАНИЕ / СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОД

Аннотация научной статьи по прочим сельскохозяйственным наукам, автор научной работы — Потапов А. И., Рязанов А. Н., Белозерцев А. С., Прибытков А. В.

В статье представлены способ и конструкции вакуум-сублимационных сушилок для обезвоживания жидких и пастообразных термолабильных продуктов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим сельскохозяйственным наукам , автор научной работы — Потапов А. И., Рязанов А. Н., Белозерцев А. С., Прибытков А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of the construction freeze dryers for heat-sensitive products

The article presents method and construction of vacuum freeze driers for dehydration of liquid and paste thermoliable products.

Текст научной работы на тему «Разработка конструкции лиофильной сушилки для термолабильных продуктов»

<ЪестникФТУЖЛС, №3, 2П13

УДК 664.8/9

Исполняющий обязанности директора А.И. Потапов

(ООО «РЕТА») директор А.Н. Рязанов

(ООО НПП «АГК-ТК»)

доцент А.С. Белозерцев, доцент А.В. Прибытков

(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96

Разработка конструкции лиофильиой сушилки для термолабильных продуктов

В статье представлены способ и конструкции вакуум-сублимационных сушилок для обезвоживания жидких и пастообразных термолабильных продуктов.

The article presents method and construction of vacuum freeze driers for dehydration of liquid and paste thermoliable products.

Ключевые слова: вакуум-сублимационная (лиофильная) сушка, испарительное самозамораживание, СВЧ-энергоподвод.

Вакуум-сублимационная или лиофильная сушка, т. е. высушивание материалов в замороженном состоянии под вакуумом, является одним из наиболее прогрессивных методов обезвоживания термолабильных пищевых продуктов и микробиологических материалов, который позволяет обеспечить максимальное сохранение большинства первоначальных свойств продуктов в процессе их получения и длительного хранения. Однако сублимационная (лиофильная) сушка не нашла широкого применения из-за сравнительно высокой стоимости получаемых продуктов за счет длительности и энергоемкости процесса в ее традиционном виде [1, 4].

Одним из направлений интенсификации процесса вакуум-сублимационной (лиофиль-ной) сушки является создание развитой высокопористой структуры продукта с целью увеличения площади поверхности сублимации влаги. Однако при этом затрудняется подвод энергии традиционными способами к внутренним слоям продукта (кондуктивный и, в меньшей степени, ИК- нагрев). Поэтому для обеспечения равномерного нагрева продукта наиболее целесообразным является применение сверхвысокочастотной энергии. Как известно, характер СВЧ-нагрева позволяет резко интенсифицировать процессы тепло-и массообмена, так как прогрев продукта происходит по всему объему. Сушка является тем процессом, в котором преимущество СВЧ-энергии проявляются наиболее ярко,

© Потапов А.И., Рязанов А.Н., Белозерцев A.C., Прибытков A.B., 2013

при этом предпочтение отдается установкам непрерывного действия. Поэтому применение сверхвысокочастотного нагрева для интенсификации процесса вакуум-сублимационной сушки пищевых продуктов является перспективным направлением на пути устранения вышеперечисленных недостатков в совокупности с организацией процесса в непрерывном режиме. В то же время, создание установок непрерывного действия затруднено высокой степенью сложности конструкций, низкой надежностью и трудностями при загрузке и выгрузке высушиваемого продукта в вакуумной камере сублимационной сушилки.

Предлагаемые далее способ и конструкции вакуум-сублимационных сушилок для обезвоживания жидких и пастообразных продуктов с СВЧ-энергоподводом позволят комплексно решить проблему интенсификации процесса при получении продукта высокого качества и минимальных затратах энергии и времени [2, 3].

Поставленная задача достигается тем, что продукт выдавливают методом экструзии непосредственно в сублимационную камеру в зону с давлением выше тройной точки с об -разованием высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры и с последующим испарительным замораживанием продукта (экструдата) в зоне с давлением ниже тройной точки, который параллельно подвергают сублимационной сушке в сверх -высокочастотном поле. При этом паровой затвор создается за счет паров, образованных в результате интенсивного испарения влаги в

I ЕпоТаТйё ) ТдТаоёо

6

АТоТайё | ТдТаоёо

Рисунок 1 - Вакуум- сублимационная сушилка с СВЧ-энергоподводом

зоне подачи продукта, а упаковку высушенного продукта осуществляют непосредственно в сублиматоре вне зоны действия СВЧ энергии с его последующим удалением через шлюзовой затвор. Установка для получения сублимированных пищевых продуктов состоит из устройства подачи продукта в вакуумную камеру сушилки; парового затвора; сублимационной камеры с источниками энергии; выносного десублиматора и шлюзового затвора для выгрузки готового продукта из сушилки. Новизна установки заключается в том, что вокруг выходного отверстия вертикально расположенного устройства подачи продукта в вакуумную камеру в виде экструдера установлен паровой затвор, разделяющий зоны подачи продукта в вакуум и его сушки, канал которого имеет форму сопла Лаваля, снабженный источниками СВЧ энергии (магнетронами) с самой узкой части сопла до его нижней кромки, причем на нижней образующей сопла магнетроны установлены с возможностью изменения угла наклона, а делительно-упаковочное устройство установлено непосредственно после зоны действия магнетронов.

На рисунке 1 представлен общий вид установки для осуществления непрерывного способа получения сублимированных пищевых продуктов с СВЧ- энергоподводом. Установка для получения сублимированных пищевых продуктов состоит из экструдера 1; сублимационной камеры 2 с насадкой в форме сопла Лаваля 3 и источниками СВЧ энергии 4 (магнетронами); делительно-упаковочного устройства 5; шлюзового затвора 6 для выгрузки готового продукта из сушилки и выносного десублиматора (не показан).

Способ получения сублимированных пищевых продуктов заключается в следующем. Исходный продукт подается в загрузочное устройство предварительно включенного экструдера 1, на выходе из которого экструдат поступает в зону с давлением выше тройной точки устройства 3 сублимационной камеры 2, которое создается за счет испарения влаги из продукта. Полученный жгут продукта перемещается в зону с давлением ниже тройной точки устройства 3, где параллельно с испарительным замораживанием экструдата продукт подвергают сублимационной сушке в поле СВЧ энергии с окончательным образованием высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры за счет интенсивного сублими -рования влаги. Разделение на зоны с различным давлением достигается благодаря тому, что создается гидравлическое сопротивление потоку паров и неконденсирующихся газов в кольцевом зазоре между жгутом продукта и соплом Лаваля в его узкой части, и как следствие, повышение давления выше тройной точки в зоне выхода продукта из экструдера 1. Высушенный жгут продукта подается в делительно-упаковочное устройство 5 и выгружается из установки посредством шлюзового затвора 6.

Предлагаемый способ и установка имеют следующие преимущества:

-экструдирование продукта непосредственно в сублимационную камеру в зону с давлением выше тройной точки обеспечивает предотвращение замерзания продукта на выходе из экструдера и образование жгута продукта пористой структуры;

- осуществление сублимации влаги из экструдата в сверхвысокочастотном поле с его одновременным испарительным замораживанием значительно ускоряет процесс сублимационной сушки и позволяет снизить энергозатраты на ее проведение;

- осуществление упаковки высушенного продукта непосредственно в сублимационной

камере исключает возможность его контакта с влажным атмосферным воздухом;

- использование СВЧ энергии для сублимационной сушки продукта с пористой развитой структурой позволяет обеспечить адресное и равномерное получение энергии всеми частями продукта.

На рисунке 2 представлена конструкция установки для вакуум-сублимационной (лио-фильной) сушки термолабильных продуктов,

состоящая из пресса (экструдера) 1; корпуса сублимационной сушилки 2 со съемными дверцами 3, 16 и насадкой в форме сопла Лаваля 4; формующих роликов-укладчиков 5; делителя 7; пластинчатого конвейера 6; основного волновода 10 с запредельными волноводами 9, 17 и магистралью 13 для подключения согласованной нагрузки; вальцев 14 и шлюзового затвор 15. Подвод энергии осуществляется посредством магнетронов 11 и диэлектрическихлинз 12.

К вакуум-насосу

Рисунок 2 - Схема вакуум-сублимационной сушилки с СВЧ-энергоподводом: 1 - пресс; 2 - корпус сушилки; 3, 16 - дверцы; 4 - насадка; 5 - формующие ролики-укладчики; 6 - конвейер; 7 - делитель; 8 - продукт; 9, 17 - запредельный волновод; 10 - волновод; 11 - магнетроны; 12 - диэлектрические линзы; 13 - трубопровод для подключения согласованной нагрузки;

14 - вальцы; 15 - шлюзовой затвор.

3

Вакуум-сублимационная сушилка работает следующим образом. Исходный продукт подается в загрузочное устройство предварительно включенного пресса (экструдера) 1, на выходе из которого экструдат поступает в зону с давлением выше тройной точки устройства 4 сублимационной камеры 2, которое создается за счет испарения влаги из продукта. Полученный жгут продукта перемещается в зону с давлением ниже тройной точки устройства 4, где происходит его укладка на пластинчатый конвейер 6, выполненный из радиопрозрачного материала (например, фторопласта) посредством роликов-укладчиков 5 и деление его на части определенной равной длинны устройством 7 параллельно с испарительным самозамораживанием экструдата с окончательным образованием высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры за счет интенсивного сублимирования влаги. Разделение на зоны с различным давлением достигается благодаря тому, что создается гидравличе-

ское сопротивление потоку паров и неконденсирующихся газов в кольцевом зазоре между жгутом продукта и соплом Лаваля 4 в его узкой части, и как следствие, повышение давления выше тройной точки в зоне выхода продукта из пресса (экструдера) 1. Равные по длине и форме самозамороженные куски жгута продукта подаются через запредельный волновод 9 в волновод 10 во избежание утечки электромагнитной энергии в свободное пространство корпуса сушилки 2, где происходит его вакуум-сублимационная сушка в поле токов сверхвысокой частоты. Причем волновод 10 состоит из отдельных перфорированных секций с диаметром отверстий, исключающим утечку энергии, каждая из которых имеет собственный независимый источник СВЧ-энергии (магнетрон) 11. Ввод энергии в секции волновода 10 осуществляется через диэлектрические линзы 12. Для поглощения СВЧ-энергии в отсутствии обрабатываемого продукта или при неполной загрузке конвейера установка имеет

магистраль 13 для подключения специальной поглощающей согласованной нагрузки (на схеме не показана). Поглощение СВЧ-энергии в этой нагрузке осуществляется водой, прокачиваемой через рабочую полость нагрузки. Далее высушенный продукт подается на вальцы 14, где происходит его дробление и посредством шлюзового затвора 15 выгружается из сушилки и поступает на упаковку.

Предлагаемая сушилка непрерывного действия с СВЧ-энергоподводом позволяет:

- проводить процесс сублимации влаги из экструдата в сверхвысокочастотном поле с его одновременным испарительным замораживанием, что значительно ускоряет процесс сублимационной сушки и снижает энергозатраты на ее проведение;

- повысить качество готового продукта за счет избирательного посекционного регулирования мощности магнетронов в зависимости от свойств объекта и периода сушки;

- проводить процесс вакуум-сублимационного обезвоживания в непрерывном режиме.

При сушке предлагаемым способом жидких продуктов не представляется возможным обеспечить получение продукта с заданными свойствами, а именно с развитой однородно-пористой структурой из-за его бурного кипения, разбрызгивания и получения им неопределенной формы и размеров в процессе испарительного самозамораживания. Данный недостаток ведет к увеличению энергозатрат на проведение процесса и снижению качества готового продукта из-за неоднородного (селективного) воздействия СВЧ-энергии, что может приводить к перегреву одних слоев и недосушиванию других. С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ ввода жидких продуктов с низким содержанием сухих веществ в сублимационную камеру лиофильной сушилки (рисунок 3).

Ввод продукта осуществляется следующим образом: предварительно приводится во вращение нагнетающий шнек центрального канала и его корпус, но вращаются они в противоположные стороны.

Исходный продукт с высоким содержанием сухих веществ (например 50-70 %) подается в периферийный коаксиальный канал 5, в котором под действием усилия витков шнека 4 корпуса 3 он перемещается к входу в вакуумную камеру сублимационной сушилки.

При поступлении по коаксиальному периферийному каналу 5 продукта с высоким содержанием сухих веществ (например 50-70 %) в

вакуумную камеру сушилки из него начинает интенсивно испаряться влага, пары которой позволяют создать паровой затвор в узкой части сопла Лаваля и образовать зону с остаточным давлением около тройной точки, но не ниже ее (например 611-620 Па), обеспечивающую исключение блокировки самозамороженным продуктом каналов 1 и 5 экструдера. В связи с высоким содержанием сухих веществ, т.е. малым количеством влаги в этом продукте, происходит под действием разряжения быстрое его обезвоживание, уплотнение и образование трубчатого подсохшего каркаса (рисунок 3).

Рисунок 3 - Экструдер и схема формирования структуры продукта:

1 - центральный канал; 2 - шнек; 3 - корпус экструдера; 4- витки шнека; 5 - переферийный коаксиальный канал

При достижении трубчатого подсохшего каркаса узкой части сопла Лаваля и входа в зону самозамораживания с остаточным давлением ниже тройной точки (например, 100-609 Па) во внутреннюю его полость посредством нагнетающего шнека 2 по центральному каналу 1 подается продукт с низким содержанием сухих веществ (например, 3-10 %). Во внутренней полости трубчатого каркаса продукт с низким содержанием сухих веществ вскипает и образует пенную структуру, которая в зоне с остаточным давлением ниже тройной точки самозамораживается с получением высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры.

Сформированный жгут продукта перемещается в зону действия поля сверхвысокочастотной энергии, где одновременно с испарительным замораживанием продукт подвергают сублимационной сушке при рабочем остаточном давлении (например, 50-100 Па) с окончательным образованием высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры за счет интенсивного сублимирования влаги. Работа выполнена в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" по Государственному контракту № 14.512.11.0078 от 20.06.2013 года. Статья подготовлена по результатам работ, выполненных на оборудовании ЦКП "КУЭП".

ЛИТЕРАТУРА

1 Гуйго, Э.И. Сублимационная сушка в пищевой промышленности [Текст] / Э.И. Гуйго, Н.К. Журавская, Э.И. Каухчешвили.- М.: Пищевая промышленность, 1972. - 434 с.

2 Лебедев, Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме [Текст] / Д.П. Лебедев, Т.Л. Перельман. - М.: Энергия, 1973. - 336 с.

3 Некрутман, С.В. Диэлектрические свойства пищевых продуктов на частоте 2375 МГц [Текст] / С.В. Некрутман // Электронная обработка материалов. - 1973. - №4. - С. 82-84.

4 Николаенко, С.В. Повышение эффективности сублимационной сушки ферментных препаратов [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Воронеж, 1990.

REFERENCES

1 Guygo, E.I. Freeze drying in the food industry [Text] / E.I. Guygo , N.K. Zhuravskaya, E.I. Kauhcheshvili. - M.: Pishevaya promyshlen-nost, 1972. - 434 p.

2 Lebedev, D.P. Heat and mass transfer in the process of sublimation in vacuum [Text] / D.P. Lebedev, T.L. Perelman. - M.: Energiya, 1973. - 336 p.

3 Nekrutman, S.V. Dielectric properties of food at a frequency of 2375 MHz [Text] / S.V. Nekrutman // Electronic processing of materials. -1973. - № 4. - P. 82-84.

4 Nikolaenko, S.V. Improving the efficiency of freeze-dried enzyme preparations [Text]: abst. dis. ... PhD. - Voronezh, 1990.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.