66.047.791.1
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЯМ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ . ..
ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ
А.А. БУЙНОВ ,
Астраханский государственный технический университет
Использование пеносушилок при производстве сухих продуктов биологического происхождения представляется перспективным. По качеству обезвоживания эти сушилки приближаются к сублимационной сушке, а энергозатраты сопоставимы с распылительной сушкой при гораздо меньших габаритах аппаратного оформления.
Вследствие физико-химических процессов вспенивания на круг продуктов, обезвоживаемых методами пеносушки, накладываются ограничения. Технология сушки пищевых продуктов во вспененном состоянии достаточно наукоемка, как машинная технология требует значительных затрат на аппаратное оформление в комплексе задач переработки сырья и получения качественных продуктов. Отечественные исследования сушки продуктов во
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТА КАК ОБЪЕКТА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
Физико-химические свойства жидкого продукта
іІовгрх-ностиое натяжение
Кратиигтв Стабиль- Дмс!1«рс . Рроаогмя Статические сорбцииамые
пен ность пен ность пен жидкости и пенье характеристики (изотермы сорбции. ДССОрбумн)
Рациональные способы и режимы вспенивания
ЛярОЛИН&МасГеСХХЙ
Перемешивание Вибрацншшын Составляющие Т ермидниамнчеехке
уравнейвя коэффициенты
Гиббса- м агсскі е ре к оса
Гельигольуа
Т ермовлагообменные
свойства
і:
Теллофняичесхме свойства, тс|тирадиауиовЕ1ы« характеристики
Термодинамика взаимодействия продукта с водой
Составляющее
внутреннего
массонереноса
КИНЕТИКА ПЕНОСУШКИ
Экспериментальные исследования
Выбор способа ПЄ5Іосушкн
сплошной
жгуты,
спагег-
мапылекие
кратер» *
ровакне
Аналитические исследования
Выбор способа анерголадвода
кокдукт
ик
СВЧ
Оптнмнзодкя процесса по долевым функциям
МйКСИМК'
зауня
ЛрОШ'ТИ
Энерге-
тическая
Стоимост-
КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ
Конструирование и расчет устройств для генерирования пенном структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности пеносушилок Конструирование и расчет сушильных установок
П г нон1 мера?ор Устройств для нанесения пены и а рабочие поверхности Устройствм Для съегнд сухого продукт» Квмегруириныше сушильном установки Вспомогательное оборудование
ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ
Для продуктов Вез добавления ПАВ
ТеЖНОАСГНЯ н режимы подготовки продукта к венос^-шхс
Технологий яспенкваняя к рихкмъэ работы »еяоге»краторсз
Для продуктов с добавленном ПАВ
Т ехяологмческие
операции к режимы прокси сунжн
Технология, режимы храаіення н упаковки сухого продукта
ВСПЄ1
[1-7
Сс
меня
ки п
СВОЙ!
и опт ве — офор] ся вь зико-отрая идеа; жива в про
ЛЄД0Е
тельв
ного
стемс
качес
на вх
квалі
наде;
задач
сушк
состо
следо
му).
Каз рым ! тоды.
Бл<
прод)
ЛИ30Ї
фи
(пове
ность
В0ЧНІ
тер
бциоі
М0ПЛІ
прод)
ф?
иссле
зован
шени
ХИМИ1
М0ВЛІ
ния.
дукто
аналв услов ния -ния > пен, I за сч( В заві следо: дачи, обход из пе влаги, жимн ность
♦7.791.1
?в
ов вспе-
мых ме-ичения. 1спенен-машин-трат на перера-Здуктов. гктоъ во
цнс
ТО
[ОСЯ
вспененном состоянии представлены в работах [1-7].
Согласно методологическим принципам современной технологии исследования процессов сушки проходят по схеме: от детального изучения свойств продукта к выбору рационального метода и оптимального режима обработки и на этой основе — к наиболее эффективному аппаратурному оформлению процесса [8, 9]. Пеносушка отличается высокой чувствительностью к колебаниям физико-химических свойств исходных продуктов, что отражается на выходе процесса в диапазоне от идеального до неприемлемого. Это основной сдерживающий фактор внедрения методов пеносушки в производство. Генеральной целевой задачей исследований должно являться уменьшение чувствительности процессов пеносушки за счет достаточного уровня изучения системоразрушающих и системосохраняющих факторов, количественных и качественных диапазонов их колебаний, допусков на входы и выходы отдельных процессов, создание квалиметрического банка данных для обеспечения надежной работы оборудования. Решению этой задачи может способствовать изучение процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии в рамках структуры, группирующей исследования по четырем основным блокам (см. схему).
Каждый блок состоит из направлений, по которым разрабатываются отдельные аспекты или методы.
Блок исследований физико-химических свойств продукта как объекта обезвоживания может реализоваться в двух направлениях:
физико-химические свойства жидкого продукта (поверхностное натяжение, кратность, стабильность и дисперсность пен, вязкость, влияние добавочных ПАВ и т.д.);
термовлагообменные свойства (статические сорбционные характеристики, теплофизические, термопластические, терморадиационные свойства продукта в процессе обезвоживания).
Физико-химические свойства продукта должны исследоваться с прагматической целью их использования в конструкторских и технологических решениях процессов сушки. Сюда относятся физикохимические свойства жидкого продукта и его термовлагообменные свойства в процессе обезвоживания. Реологические характеристики жидких продуктов и образованных из них пен необходимо анализировать в зависимости от температурных условий и концентрации, процесс пенообразова-ния — от выбранного способа, кинетику истечения жидкости из пен, кратность и стабильность пен, механизм устойчивости пенной структуры — за счет различных физико-химических эффектов. В зависимости от общетеоретической глубины исследований могут возникнуть дополнительные задачи. На стадии высокой влажности продукта необходимо оценить кинетику истечения жидкости из пенной структуры и механизм перемещения влаги, что даст возможность оптимизировать режимные параметры, обеспечивающие стабильность пенной структуры продукта при сушке с
минимизацией либо исключением добавочных ПАВ.
Необходимо обосновать выбор или отсутствие добавочных ПАВ, стабилизирующих веществ для повышения устойчивости пенной структуры в процессе сушки, а также физико-химические критерии пригодности конкретного продукта к условиям сушки во вспененном состоянии (концентрация, вязкость, кратность и стабильность пен и условия их определения). Параллельно проводятся поисковые исследования возможности методов пеносушки для конкретного продукта.
Цель исследований физико-химических свойств жидкого продукта:
разработка объективных критериев пригодности конкретного продукта к пеносушке и факторов, влияющих на процессы пенообразования и стабилизации пенной структуры;
разработка рациональных способов и режимов вспенивания;
получение исходных данных для разработки и конструирования пеногенераторов и устройств для нанесения вспененного продукта на рабочие поверхности пеносушилок.
Для теоретического обоснования механизма обезвоживания основными являются экспериментальные исследования активности связанной воды, а также анализ термодинамики процессов внутреннего массопереноса во всем рабочем диапазоне температур и влажностей продукта. При этом можно получить качественную и количественную информацию о продукте как объекте обезвоживания, видах и величинах энергии связи влаги с материалом, термодинамических составляющих уравнения Гиббса—Гельмгольца, температурных и термоградиентных коэффициентах массопереноса. Это позволяет оценить гигроскопичность продукта, движущие силы при обезвоживании, области целесообразности того или иного вида энергоподвода при сушке. В эту же группу можно отнести исследования продукта как объекта поглощения И К или СВ^-энергоподвода.
Цель исследований термовлагообменных свойств продукта в процессе обезвоживания: получение статических характеристик активности воды в продукте (изотермы сорбции, десорбции);
оценка видов и величин энергии связи влаги с материалом;
механизм внутреннего массопереноса по термодинамическим коэффициентам;
получение исходных данных для разработки и конструирования сушилок, выбора энергетических режимов и оптимизации работы (теплофизические коэффициенты, терморадиационные характеристики в процессе обезвоживания).
Результатом разработки этих направлений являются рациональные способы и режимы вспенивания; термодинамический механизм массопереноса, теплофизические и терморадиационные характеристики взаимодействия продукта с водой.
Блок исследования кинетики пеносушки может реализоваться в направлении экспериментальных или аналитических исследований, имеющих целью оценку влияния основных факторов на процесс для его последующей оптимизации; определе-
ние эффективности процесса и составление его аппроксимирующей математической модели в зависимости от выбранной целевой функции, способа пеносушки и энергоподвода.
Аналитические исследования, проведенные молекулярно-кинетическим или термодинамическими методами, способствуют составлению корректного универсального математического описания кинетики процесса сушки.
Результатом осуществления этих направлений являются:
выбор и разработка способа пеносушки (сплошной тонкий слой, ’’спагетти”, напыление, ’’крате-рирование” и т.п.);
выбор способа энергоподвода (конвективный, кондуктивный, комбинированный, ИК, СВЧ);
математические модели процессов внутреннего и внешнего массопереноса;
оптимизация процесса по различным целевым функциям (максимизация производительности, энергетическая и стоимостная минимизация, качественные показатели продукта).
Блок конструирования агрегатов и узлов может реализоваться в двух направлениях:
конструирование и расчет устройств для генерирования пенной структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности пеносушилок;
конструирование и расчет сушильных установок.
При этом возможны два методологических подхода: разработка принципиально новых конструкций, обоснование которых базируется на комплексе исследованных свойств, и создание устройств для генерирования пенной структуры и нанесения продукта на рабочие поверхности сушилок известных конструкций (конвективные, кондуктивные, ИК, СВЧ, ленточные, тросовые, вальцевые, вакуумные и т.д.).
Цель конструирования агрегатов и узлов: разработка конструкций пеногенераторов, устройств для нанесения пены на рабочие поверхности, собственно сушильных установок, систем транспорта в них, вспомогательных устройств и др.
Результатом разработки этих направлений является создание чертежей и технологической документации для изготовления сушилок и вспомогательного оборудования.
Блок технологии сушки может реализоваться для обезвоживания продуктов либо по известной рецептуре без добавления ПАВ, либо методами пеносушки с добавлением ПАВ.
В блоке технологии сушки для унифицированного ведения процесса по каждому продукту разрабатываются:
технологические операции получения сухого продукта и их последовательность;
рецептуры натуральных продуктов либо продуктов с добавлением ПАВ (пеностабилизаторов) для обеспечения достаточно стабильной пенной структуры, режимов работы пеногенераторов, снижающих чувствительность процесса сушки к колебаниям физико-химических свойств жидких продуктов; технологические режимы процесса сушки; технологические операции хранения и упаковки сухого продукта с использованием методов гранулирования, пластификации и т.п.
Результатом реализации блока технологии сушки являются технологическая документация по организации получения готового сухого продукта, а также технологические программы для кибернетизации этого процесса и управления агрегатами в зависимости от изменяющихся свойств продукта, целевых задач, условий обезвоживания.
ВЫВОД
Изучение процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии в рамках предложенной структуры позволит определить направления и логику исследований, получить системный материал, необходимый для обеспечения создания надежных машинных технологий и теории процессов сушки.
ЛИТЕРАТУРА : '
1. Получение яблочного порошка методом пеносушки / Е.З. Секей, Э.И. Хорошая и др. / / Консервная и овощесушиль-ная пром-сть. — 1978. — № 9. — С. 19-21.
2. Буйнов А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И. Механизм конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов во вспененном состоянии // ИФЖ. — 1982. — 43. — С. 95-100.
3. Метод получения сухих концентратов для приготовления пива и кваса / В.В. Красников, В.И. Сыроедов, С.Г. Османов и др. // Ферментная и спиртовая пром-сть. — 1983. — № 6. — С. 14-17.
4. Казиахмедов М.Н. Интенсификация процесса сушки пищевых продуктов в пенообразном состоянии: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М., 1983. — 18 с.
5. Аминова Э.М. Интенсификация и исследование процесса пеносушки пастообразных продуктов при комбинированном энергоподводе: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М.Л986, — 23 с.
6. Буйнов А.А., Алексанян И.Ю., Рогов И.А., Агеенко И.С. Обоснование выбора ЯХ-генераторов для сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии / Совершенствование оборудования для обработки объектов морского промысла. — Калининград: КТИРПХ, 1988. — С. 21-31.
7. Способ получения сухих томатных продуктов / И.Ю.Алек-санян, А.А. Буйнов, Е.Д. Кромский. — Пат. 1805876 СССР. — Опубл. в Б.И. — 1993. — № 12.
8. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая пром-сть, 1973. — 528 с.
9. Панфилов В.А. Системный подход к проблеме развития машинных технологий в перерабатывающих отраслях / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1995. — № 1-2. — С. 98-100.
Кафедра технологии рыбных продуктов Поступила 13.03.97 ,
ИЗВЕС
ЮТ. I В.В. К
Кубане АО Крс
Для
СОВ X
аппар
личес
произ
Новая
позво.
ОЧИСТ]
мерам масел ных в СИНТЄ1
В н тивно
ТЄСНЄ]
верти: Реп. траци. уравн редачі еделаї канал; харак" сти П| Обо вноси газом; мые и Расс кой (| поток
где
Сост
ЖИДКО]