CC BY
22
УДК [621.565.945:641.546.45]: [664.8.037.5:641.528]
Скороморозильный аппарат для быстрого замораживания экструдированных штрангов пюреобразных продуктов низкотемпературным воздухом
Fast-freezing apparatus for freezing puree strango extruded products of low-temperature air
Доцент A.X.-X. Нугманов, профессор И.Ю. Алексанян, (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)614-191 E-mail: albert909@yandex.ru
профессор В.М. Позняковский (Южно-Уральский государственный университет) кафедра пищевых биотехнологий
Associate Professor А.Н.-Н. Nugmanov, Professor I.Yu. Aleksanyan, (Astrakhan state technical university) chair of technological machines and equipment, tel. (8512)614-191 E-mail: alb e r t909(a у and ex. r u
Professor V.M. Poznyakovsky (Southern Ural State University) chair of food biotechnologies
Реферат. В настоящее время интенсивно развивается рынок быстрозамороженных пищевых продуктов и полуфабрикатов для отрасли предприятий общественного питания. Возникает необходимость разрабатывать скороморозильную технику, адаптированную к российскому рынку. Перспективно для широкого ассортимента быстрозамороженных продуктов использование низкотемпературного (в пределах -60...-120 °С) воздуха, тем более его стоимость очень низкая. При использовании низкотемпературных охлаждающих сред процесс замораживания можно заканчивать основным периодом продолжительности процесса, а именно периодом фазового перехода воды в лед, т.е. до достижения -5 °С в толще продукта, что позволяет в процессе выравнивания температуры обеспечить среднеобъёмную температуру - 18 °С и значительно ниже. Такое ведение процесса позволит сократить общую продолжительность замораживания продукта в аппарате и, следовательно, энергозатраты. Представлен оригинальный скороморозильный аппарат для быстрого замораживания экструдированных штрангов пюреобразных продуктов низкотемпературным воздухом, обеспечивающий для конечного продукта необходимые качественные показатели.
Summary. Currently, the rapidly developing market of quick-frozen foodstuffs and semi-finished products for the industry of public catering enterprises, respectively, there is a need to develop a rapid freezing technique, adapted to the Russian market. Promising for a wide range of frozen foods using low-temperature (in the range of -60...-120 °C) air, the more its cost is very low. When using the low-temperature cooling medium in the freezing process, you can finish the main period of the duration of the process, namely the period, phase transition of water into ice, i.e. to reach -5 °C in the thickness of the product, allowing the alignment process to provide temperature volumetric average temperature of - 18 °C and much lower. This process will reduce the total duration of freezing the product in the apparatus and therefore energy costs. The article presents an original batch freezer apparatus for fast freezing strango puree extruded products of low-temperature air, providing the final product the necessary quality indica-
Ключевые слова: процесс заморозки, быстрое замораживание, скороморозильная техника, кинетика замораживания, скорость теплопереноса, конвективное замораживание.
Keywords: the process of freezing, quick freezing, quick-freezing equipment, freezing kinetics, the rate of heat transfer, convective freezing.
© Нугманов A.X.-X., Алексанян И.Ю., Позняковский B.M., 2016
Понятие «быстрое замораживание» уверенно вошло в терминологию процесса консервирования холодом, который активно используется в промышленно развитых государствах. Данное понятие (Международный института холода МИХ, г. Париж, Комитет РАОДУНО) применяется:
- при быстром продвижении фронта замерзания в диапазоне температур от -1 до -5 °С для большинства материалов с учетом, окончания процесса замерзания при среднеобъёмной температуре -18 °С;
- в случае поддержания температуры -18 °С с минимальными колебаниями при транспортировке и хранении материалов.
Интенсивность процесса, характеризующая скорость тепло переноса при быстром замораживании пищевой продукции, определяет эффективность процесса с энергетической и экономической точек зрения для включения его в производственную поточную линию.
Изучение кинетики замораживания осуществляют на базе температурных кривых - зависимости температуры от продолжительности процесса; скорости продвижения фронта кристаллизации и т.д., однако в настоящее время превалирует определение усредненной скорости замораживания, которая, по определению МИХ, принимается как соотношение между минимальным расстоянием от поверхности до термического центра и временем достижения температуры на поверхности О °С и охлаждения центра на 10 °С ниже криоскопической точки.
Учитывая величину линейной скорости, замораживание можно условно классифицировать:
- на медленное - приблизительно 0,005 м/ч;
- быстрое - от 0,005 до 0,05 м/ч;
- сверхбыстрое - от 0,05 до 0,10 м/ч;
- ультрабыстрое - от 0,1 до 1,0 м/ч.
В настоящее время быстрому замораживанию подвергают широкий ассортимент продукции: плодово-ягодную и овощную продукцию, полуфабрикаты и готовые блюда, десертные, кондитерские и хлебобулочные изделия, соки и т. п., причем ассортимент замороженной продукции неуклонно расширяется вследствие появления новых видов биопродуктов.
Замороженные пюре из овощей являются относительно новым видом высококачественной продукции пищевой промышленности. Нарастающая популярность их использования в качестве естественных ароматизаторов-заменителей свежего пюре или измельчённого растительного сырья при приготовлении соусов, заправок, спредов, начинок и супов (например, чесночная паста), многокомпонентных замороженных готовых продуктов (супы-пюре), полуфабрикатов объясняется удобством их использования и употребления и предполагает более длительный срок годности и безопасность.
Для интенсификации процессов замораживания и дефростации предложен оригинальный способ ведения процессов заморозки пюреобразных материалов в диспергированном состоянии путём распыливания в потоке низкотемпературного воздуха. При этом создаётся высокоразвитая поверхность тепломассообмена и её постоянное обновление при получении замороженного порошкообразного продукта при высокой скорости процесса.
При высокой вязкости исходного продукта из-за трудности его распыления целесообразно предварительное гранулирование и замораживание в псевдоожи-женном состоянии, причём замораживание и гранулирование продукта можно совместить. Предложен также способ быстрого замораживания экструдированных штрангов пюреобразных продуктов. Для реализации предложенных способов разработана оригинальная конструкция скороморозильного аппарата (рисунок).
Принцип работы скороморозильного аппарата заключается в следующем: отварные овощи поступают в приёмный бункер экструдера, проходя через который продукт предварительно охлаждается прп помощи генераторов холода и на выходе в морозильную камеру преобразуется в гранулированный штранг. В момент выхода продукт соединяется с параллельным потоком низкотемпературного воздуха и быстро замораживается. После изменения агрегатного состояния замороженный пюреобразный штранг ломается, получаются гранулы, которые падают на вибросито, имеющее перфорацию заданной величины для получения замороженных гранул. Проходя через вибросито, гранулы попадают в приёмный бункер, где осуществляется выгрузка.
Рисунок. Принципиальная схема оригинального скороморозильного аппарата: 1 - бункер; 2, 7 - генератор холода; 3 - экструдер; 4 - воздухозаборник; 5 - выходная матрица; 6 - скороморозильная камера; 8 - вибросито; 9 - вибромеханизм; 10 - приёмный бункер; 11- выход продукта
С целью сохранения качества замороженной пищевой продукции целесообразно существенное повышение интенсивности замораживания, а следовательно, модернизация холодильного оборудования как с режимной, так и с конструктивной точек зрения. Увеличение интенсивности процесса заморозки можно обеспечить уменьшением температуры и ростом скорости теплоносителя (хладагента) [1.2].
Снижение температуры внутри продукта в процессе замораживания происходит условно в три этапа:
- снижение температуры от начальной до - 1 °С;
- период фазового перехода «вода-лёд» от -1 до -5 °С;
- окончательное снижение температуры от-5до-18°С.
При этом в суммарной продолжительности заморозки материала основную долю занимает период фазового перехода (65,74 % от общего времени заморозки) в температурном диапазоне от -1 до -5 °С, что согласуется с [2, 3].
Время основного периода замерзания пищевых материалов существенно уменьшается при использовании в качестве теплоносителя азота или низкотемпературного воздуха в турбодетандере, что и обусловливает высокие скорости охлаждающих агентов в сравнении с традиционным конвективным замораживанием. При машинной системе хладоснабжения (температура воздуха -30...-35 °С ) замораживание завершается при достижении -10 °С и ниже в центре объекта обработки для получения среднеобъёмной температуры около -18 °С, соответствующей температуре хранения замороженного материала.
При использовании низкотемпературных охлаждающих агентов, к примеру воздуха при -60...-120 °С, замораживание можно завершить на 2 этапе до -5 °С внутри материала ввиду достаточно низкой температуры на поверхности, при этом в процессе выравнивания температур среднеобъёмная температура достигнет -18 °С или ниже, что приведет к уменьшению продолжительности процесса энергозатрат.
Взяв за основу физическую природу материала, авторами работ [1] предложена классификация быстрозамораживаемых продуктов, разбитых на классы и группы по уровню содержания влаги и жира. Предложено 9 классов пищевых материалов: П1 - мясные продукты, П2, ПЗ, П4, П5 - продукты из птицы, рыбы, плодов и ягод, овощей, П6, П7- продукты из теста и типа «тесто+начинка», П8 - сливочное масло, П9 - твёрдые сыры. Введен и обоснован термин «условно-расчётный продукт» (УРП) для применения в инженерных расчётах, а также приведены теплофи-зические характеристики ряда пищевых материалов, усреднённые по классам, подклассам и группам предложенной классификации.
Также в работах [1] приведены аналитические математические модели, данные по времени замораживания пищевых материалов с учетом температуры и скорости циркуляции воздуха (?ср, ы) и толщины продукта (б), для класса П5 (табл. 1-4).
Таблица 1
Продолжительность замораживания овощей при различных режимных параметрах подачи низкотемпературного воздуха (скорость подачи со = 5 м/с)
Класс Толщина про- Продолжительность замораживания пищевых продуктов
про- дукта б, м (т, мин) при температуре воздуха °С)
дукта - 60 - 70 - 80 - 90 - 100 - 110 - 120
П5 0,008 7,9 7,0 6,3 5,6 5,1 4,7 4,2
0,016 18,3 16,2 14,6 13 11,7 10,8 9,8
0,024 30,6 27,1 24,3 21,9 20,0 18,4 16,9
0,032 44,8 39,9 36,0 32,7 29,9 28,0 25,9
0,04 61,6 55,1 50,1 45,7 42,4 40,0 37,8
0,048 81,2 73,1 67,0 61,8 57,8 55,2 52,9
0,056 104,1 94,5 87,3 81,3 76,9 74,4 72,1
0,064 130,8 119,8 111,6 104,9 100,3 98,0 96,3
0,072 162,0 149,4 140,5 133,3 128,7 127,0 126,1
Таблица 2
Продолжительность замораживания овощей при различных режимных параметрах подачи низкотемпературного воздуха (скорость подачи со = 10 м/с)
Класс продукта Толщина продукта б, м Продолжительность заморе при темпер живания пищевых продуктов (х, мин) эатуре воздуха (icp, °С)
- 60 - 70 - 80 - 90 - 100 - 110 - 120
П5 0,008 7,2 6,4 5,7 5,1 4,6 4,3 3,8
0,016 16,6 14,7 13,3 11,8 10,6 9,8 8,9
0,024 27,8 24,6 22,1 19,9 18,2 16,7 15,4
0,032 40,7 36,3 32,7 29,7 27,2 25,5 23,5
0,04 56,0 50,1 45,5 41,5 38,5 36,4 34,4
0,048 73,8 66,5 60,9 56,2 52,5 50,2 48,1
0,056 94,6 85,9 79,4 73,9 69,9 67,6 65,5
0,064 118,9 108,9 101,5 95,4 91,2 89,1 87,5
0,072 147,3 135,8 127,7 121,2 117,0 115,5 114,6
Таблица 3
Продолжительность замораживания овощей при различных режимных параметрах подачи низкотемпературного воздуха (скорость подачи со = 15 м/с)
Класс продукта Толщина продукта 5, м Продолжительность замораживания пищевых продуктов (т, мин) при температуре воздуха (гср, °С)
- 60 - 70 - 80 - 90 - 100 - 110 - 120
П5 0,008 6,5 5,8 5,2 4,6 4,2 3,9 3,5
0,016 15,1 13,4 12,1 10,7 9,7 8,9 8,1
0,024 25,3 22,4 20,1 18,1 16,5 15,2 14,0
0,032 37,0 33,0 29,8 27,0 24,7 23,1 21,4
0,04 50,9 45,5 41,4 37,8 35,0 33,1 31,2
0,048 67,1 60,4 55,4 51,1 47,8 45,6 43,7
0,056 86,0 78,1 72,1 67,2 63,6 61,5 59,6
0,064 108,1 99,0 92,2 86,7 82,9 81,0 79,6
0,072 133,9 123,5 116,1 110,2 106,4 105,0 104,2
Таблица 4
Продолжительность замораживания овощей при различных режимных параметрах подачи низкотемпературного воздуха (скорость подачи со = 20 м/с)
Класс продукта Толщина продукта 5, м Продолжительность замораживания пищевых продуктов (т, мин) при температуре воздуха (^р, °С)
- 60 - 70 - 80 - 90 - 100 - 110 - 120
П5 0,008 5,9 5,3 4,7 4,2 3,8 3,5 3,2
0,016 13,7 12,2 11,0 9,8 8,8 8,1 7,4
0,024 23,0 20,4 18,3 16,5 15,0 13,8 12,7
0,032 33,7 30,0 27,0 24,6 22,5 21,0 19,5
0,04 46,3 41,4 37,6 34,3 31,9 30,1 28,4
0,048 61,0 54,9 50,3 46,4 43,4 41,5 39,7
0,056 78,2 71,0 65,6 61,1 57,8 55,9 54,2
0,064 98,3 90,0 83,8 78,8 75,4 73,6 72,4
0,072 121,7 112,2 105,6 100,2 96,7 95,4 94,7
В силу физико-химических изменений структуры исследуемых пюре из отварных овощей вследствие тепловой и механической обработки продолжительность пх замораживания на 7-12 % меньше продолжительности замораживания овощей. В связи с этим целесообразно провести комплекс исследований по изучению кинетики процесса и определению продолжительности замораживания пюреобразных овощных смесей с целью энергосбережения при сохранении качественных показателей конечного продукта.
Продолжительность замораживания пюреобразных овощных смесей была определена авторамп экспериментально. В качестве экспериментальной установки был использован крпотермостат РГ-311-25 (ТЖ-ТС-01/12К-20), который предназначен для точного поддержания температуры как в собственной ванне, так и во внешних системах с замкнутым или открытым контуром в диапазоне температур от -25 до 100 °С.
Заморозка при ультранизких температурах для процесса замораживания приводит к значительному превышению энергозатрат и для заморозки исследуемых продуктов в реальных инженерных пищевых технологиях не имеет смысла. Исследования проводились в интервале температур -25... 19 °С.
Данные по времени замораживания пюре из овощей с учетом температуры и скорости циркуляции воздуха (¿сР, со) и толщины продукта (б) приведены в табл. 5.
Таблица 5
Продолжительность замораживания овощного пюре прн различных режимных параметрах подачн низкотемпературного воздуха (скорость подачн со =0,3 м/с)
Вид продукта Диаметр штранга б, м Продолжительность замораживания пищевых продуктов (х, мин) при температуре воздуха °С)
- 25 - 24 - 23 - 22 - 21 - 20 - 19
Пюре 0,008 9,9 10,2 10,5 10,6 10,8 11,0 11,2
0,007 9,6 10,2 10,3 10,4 10,8 10,9 11,0
0,006 9,0 9,4 9,6 9,9 10,0 10,5 10,7
0,005 7,7 8,0 8,2 8,6 8,7 8,9 9,5
0,004 5,3 5,4 5,6 6,3 6,9 7,1 7,4
Дальнейшее хранение продукта происходит при температуре не ниже - 18 °С, а в процессе транспортировки и в первичном хранении происходит отепление продукции до температуры хранения, что приводит к внутренней реструктуризации материала хранения, поэтому температура хладагента может и не превышать -25 °С.
Таким образом, продолжительность заморозки при этих режимах вполне допустима и позволяет создавать новую скороморозильную технику с необходимой производительностью и низкими энергозатратами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антонов, А.А. Аналитическая модель расчёта продолжительности замораживания пищевых продуктов с использованием проточной системы хладоснабже-ния низкотемпературными газообразными средами [Текст] / А.А. Антонов, А.В. Бобков, О.А. Феськов / / Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии: сб. науч. тр. Вып. 2. - М.,2003.- С. 43-46
2. Архаров, A.M. Новые установки быстрого замораживания пищевых продуктов низкотемпературным воздухом, расширенном в турбодетандере [Текст] / A.M. Архаров, A.M. Кобулашвили, Т.М. Розеноер [и др.] // Холодильная техника.-2004,- Nq 9,- С. 2-7.
3. Нугманов, А. Х.-Х. Научно-практические подходы к конструированию многокомпонентных пищевых систем в технологии общественного питания [Текст]: монография / А.Х.-Х. Нугманов,-Астрахань, 2016. - 96 с.
REFERENCES
1. Antonov A.A. Analiticheskaja model' raschjota prodolzhitel'nosti zamorazhivani-ja pishhevyh produktov s ispol'zovaniem protochnoj sistemy hladosnabzhenija niz-kotemperaturnymi gazoobraznymi sredami [Analytical model of calculation of duration of freezing of foodstuff with use of flowing system of cold supply by low-temperature gaseous environments] Problemy sovershenstvovanija holodil'noj tehniki i tehnologii: sb. nauch. tr., vyp. 2,2003, pp. 43-46 (Russian).
2. Arkharov A.M. Novye ustanovki bystrogo zamorazhivanija pishhevyh produktov nizkotemperaturnym vozduhom, rasshirennom v turbodetandere [New installations of bystiy freezing of foodstuff low-temperature air, expanded in a turbodetander] Ho-lodil'naja tehnika, 2004, No 9, pp. 2-7 (Russian).
3. Nugmanov And. X.-X. Nauchno-prakticheskie podhody k konstruirovaniju mnogokomponentnyh pishhevyh sistem v tehnologii obshhestvennogo pitanija [Scientific and practical approaches to designing of multicomponent food systems in technology of public catering], Astrakhan, 2016, 96 pp. (Russian).
