Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории и техники копчения яицепродуктов 5
1.1. Обоснование выбора яицепродуктов как объекта копчения... 5
1.2. Характеристика яицепродуктов 6
1.3. Состав и характеристика коптильного дыма 13
1.4. Краткий обзор техники и технологии электрокопчения 24
1.5. Сравнительный анализ электрокопчения с иными типами копчения 35
1.6. Анализ существующих моделей процесса копчения 37
1.7. Анализ литературного обзора, цели и задачи исследования 43
Глава 2. Исследование основных характеристик яицепродуктов как объекта копчения в электростатическом поле 45
2.1. Определение теплофизических характеристик яицепродуктов 45
2.3. Исследование диффузионных характеристик коптильных веществ в отношении яицепродуктов 52
2.3. Исследование химического и дисперсионного состава дымовоздушной смеси 56
Глава 3. Исследование процесса копчения яицепродуктов с использованием электростатического поля 61
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 61
3.2. Изучение электрических характеристик процесса копчения в электростатическом поле 75
3.4. Исследование зависимости концентрации карбонильных соединений от основных параметров процесса 95
3.5. Выбор наиболее значимых для процесса факторов и интервалов их изменения 99
3.5. Многофакторный статистический анализ процесса копчения в аппарате с электростатическим полем 104
3.6. Выбор компромиссных решений задачи оптимизации процесса электрокопчения 108
3.8. Изучение кинетики процесса электрокопчения 123
Глава 4. Математическое моделирование процесса копчения яйцепродуктов в аппарате с электростатическим полем 127
4.1. Физическая модель процесса копчения с использованием электростатического поля 127
4.2. Решение уравнения диффузии компонентов коптильного дыма 129
4.4. Моделирование массообменных процессов при копчении в электростатическом поле .133
Глава 5. Практическая реализация результатов исследований 135
5.1. Разработка способа копчения куриных яиц в электростатическом
поле и установки периодического действия для его осуществления 135
5.2. Разработка способа копчения перепелиных яиц в электростатическом
поле и установки непрерывного действия для его осуществления 140
5.3. Разработка способа автоматического управления процессом
электростатического копчения 144
Основные выводы и результаты работы 149
Список использованной литературы
- Состав и характеристика коптильного дыма
- Исследование диффузионных характеристик коптильных веществ в отношении яицепродуктов
- Изучение электрических характеристик процесса копчения в электростатическом поле
- Решение уравнения диффузии компонентов коптильного дыма
Введение к работе
В настоящее время наблюдается бурное развитие экономики в сфере предприятий общественного питания, кафе, ресторанного бизнеса. При этом весьма актуальна задача разработки всё новых видов оригинальных деликатесных продуктов [72]. Одним из перспективных направлений в этой области является производство копченых яиц.
Яйца птиц являются весьма важным и перспективным объектом перера
ботки с точки зрения получения продуктов питания, необходимых для обес
печения высокого качества жизни людей [22, 47, 102].
На основе проведенного анализа теории и техники копчения пищевых
продуктов нами был сделан вывод о целесообразности применения электрокопчения как наиболее полно удовлетворяющего требованиям рассматриваемой задачи. Развитие теории и практики копчения в электростатическом поле связано с именами таких ученых, как И.А. Рогов, В.И. Курко, A.M. Ершов, Ю. А. Фатыхов, Г.И. Касьянов и других исследователей.
Известно, что использование электростатического поля позволяет существенно интенсифицировать осаждение компонентов дыма на поверхность продукта в процессе копчения. Время протекания процесса электрокопчения по сравнению с традиционным холодным копчением сокращается в несколько десятков раз [87,103, 131].
Также известно, что процесс электрокопчения характеризуется очень высокой чувствительностью к режимам и параметрам дымовоздушной смеси, а также электрического поля [11, 25, 54].
Сокращение времени ведения процесса также требует высокой точности в определении момента окончания копчения.
Кроме того, существенная часть энергозатрат на ведение электрокопче-
щ ния приходится на долю высоковольтного генератора. С его электрическими
характеристиками и конструкцией тесно связана стоимость, надежность и безопасность всей установки в целом.
Состав и характеристика коптильного дыма
Для получения высококачественной продукции необходимо, чтобы используемый коптильный дым не содержал веществ, вредных для здоровья человека, состав его был однородным, а процесс копчения непрерывным.
Коптильный дым представляет собой аэрозоль, то есть смесь дисперсной фазы (твердые и жидкие частички размером 10"4... 10"5 см) и дисперсионной среды (различные газы: кислород, водород, азот, окись и двуокись углерода, пары воды и т. д.) [37, 42]. Массовая доля газообразной фазы — около 10 %. Обе фазы образуют неустойчивую систему, в которой органические компоненты распределены в зависимости от температуры, влажности, разбавления воздухом, вида древесины и других факторов.
Схематическое строение коптильного дыма представлено на рис. 1.1 [43,50,112].
Коптильный дым, являясь многокомпонентной системой, существует за счет броуновского движения молекул и электрических зарядов (до 70% жидких и 100% твердых частиц заряжены) [39]. Химический состав древесины, теплопроводность топлива, его форма и влажность определяют характер горения топлива, а, следовательно, химический состав и свойства получаемого технологического дыма.
В состав древесного дыма входит порядка 10000 твердых, жидких и газообразных органических соединений, около 1000 из которых признаны участвующими в образовании копченых свойств продукта [37, 39, 49-51]. Такое разнообразие объясняется органической основой древесины, состоящей из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы. Соотношение этих компонентов в различных видах древесины колеблется в значительных пределах. Состав древесины некоторых пород приведен в табл. 1.7.
Элементарный химический состав древесины различных пород примерно одинаков [58, 62, 112]: углерода содержится от 48,5 до 50,8; водорода — от 6,1 до 6,9; кислорода — от 42,4 до 45,2 %.
При полном сгорании топлива происходит окисление составных частей древесины до углекислоты и воды [58, 119, 120]. Для этого необходимо достаточное количество кислорода воздуха и нагревание до определенной температуры. Чем больше кислорода воздуха в зоне горения, тем выше температура и сильнее пламя. При нагреве древесины без доступа воздуха (сухая перегонка) происходит пиролиз, то есть термическое разложение древесины.
Состав продуктов сухой перегонки (пиролиза) дерева изучен достаточно полно. При сухой перегонке дерева получают газы, водный дистиллят (или подсмольную воду), смоляной дистиллят и уголь [39, 43]. Различают следующие основные стадии пиролиза [48]: - Интенсивное испарение влаги при температуре 100...200 С. - Термическое разложение гемицеллюлозы при температуре 200... 260 С. - Термическое разложение целлюлозы при температуре 260...310 С. - Термическое разложение лигнина при температуре 310.. .500 С.
При температуре 150...250С выделяются почти исключительно кислородсодержащие газы — углекислота и окись углерода. При температуре 280С происходит экзотермическая реакция, температура древесины быстро повышается, качество кислородсодержащих газов заметно уменьшается, а количество водорода и углеводородов увеличивается. Выход газов при сухой перегонке древесины, по данным Н. И. Никитина, приведен в табл. 1.8 [62].
В водном дистилляте встречаются следующие вещества: кислоты и их производные — муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая, изокапроновая, метиловые эфиры этих кислот; спирты — метиловый, алли-ловый, пропиловый, изоамиловый и изобутиловый; альдегиды — формальдегид, ацетальде-гид, фурфурол, метилфурфурол, сильван; кетоны — углеводороды — ксилол, цимол; фенолы — пирокатехин, метилпиридин [37, 43].
Исследование диффузионных характеристик коптильных веществ в отношении яицепродуктов
Как уже отмечалось ранее, копчение в электростатическом поле включает в себя два основных физических процесса - это осаждение коптильных веществ на поверхности продукта и их последующая диффузия в его толщу.
Научное обоснование способа электрокопчения и правильное понимание механизма переноса вещества определяется в основном диффузионными характеристиками обрабатываемого материала [63].
Диффузионные характеристики исследуемого продукта являются функциями состояния и свойств вещества, зависящие от многих факторов, к которым следует отнести химический состав и структуру. При этом важное значение имеет характер изменения диффузионных характеристик от основных параметров материала.
Одной из основных диффузионных характеристик является коэффици-ент диффузии D, м /с. Существующие методы определения коэффициента диффузии [73, 85, 104] пищевых продуктов довольно сложны в плане их применения к рассматриваемой задаче. Поэтому было принято решение для определения коэффициентов диффузии фенолов в белке и в желтке яйцепродуктов использовать разработанную оригинальную методику.
Сущность данной методики заключается в отслеживании по времени перемещения границы с фиксированным значением концентрации фенолов. При этом в качестве индикатора концентрации фенолов использовалась смесь 0,5 мл 2 % - ного водного раствора 4 - аминоантипирина, 20 мл 0,025 % - ного раствора углекислого натрия (рН 10,5) и 0,25 мл 8 % - ного водного раствора железосинеродистого калия. В присутствии даже весьма незначи тельного количества веществ фенольной группы данный раствор меняет свой цвет от светло-жёлтого к цвету осенних листьев [104].
Коэффициент диффузии определялся для фенолов в белке и желтке варёных куриных яиц. Для чего яйца коптили в течение одинаковых промежутков времени и при строго стабилизированных режимах. Благодаря чему достигалось постоянство начальной концентрации фенолов у поверхности образца, что обеспечивало стабильность граничных условий в каждом опыте. Для исключения влияния эффекта температурной диффузии вводилось тер-мостатирование, а сами яйца после варки остужали точно до температуры копчения. Диапазон температур при этом выбирался исходя из технологических условий ведения процесса и составлял 290...320 К.
Вышеописанным индикаторным раствором на основе 4-амино-антипирина пропитывалась хромотографическая бумага, на которую предварительно была нанесена миллиметровая шкала для определения расстояния. Подготовленная таким образом бумага укладывалась на рабочую поверхность компьютерного сканера марки «Mustek Be@rPaw 2448CS Plus». На бумагу предварительно была нанесена миллиметровая шкала для определения расстояния. Сверху на бумаге размещали разрезанные пополам яйца.
Далее выполнялось сканирование, результатом которого являлось изображение цветового градиента, отражающего распределение фенолов (гваякола) по толщине белка (желтка) в масштабе, определяемым миллиметровой шкалой на индикаторной бумаге. Далее на изображении градиента посредством специального программного обеспечения выделялась область определённого цвета соответствующая строго заданной концентрации. Через равные временные интервалы из раствора гваякола извлекалось очередное яйцо и вся последовательность действий повторялась.
Для получения дыма нами применялись опилки древесины листвен-ных пород (смесь ольха + берёза) с удельной поверхностью 9,0...12,0 м /кг, и влажностью порядка 45%. Отвечающие требованиям ТУ 13-332-74 - «Сырьё древесное для копчения».
Температура пиролиза опилок в дымогенераторе поддерживалась постоянной на уровне 470...500 С. Данный температурный диапазон был выбран по литературным данным как обеспечивающий получение дымовоздушной смеси наилучшего качества [39, 48, 49-51].
Качество коптильной среды определяют по следующим показателям: массовой концентрации, или оптической плотности, дисперсному и химическому составу, а также влажности.
Коптильный дым представляет собой аэрозоль, то есть смесь дис- . персной фазы (твердые и жидкие частички размером 10 4...10"5 см) и дисперсионной среды (различные газы: кислород, водород, азот, окись и двуокись углерода, пары воды и т. д.) [42, 58]. Массовая доля газообразной фазы — около 10 %. Обе фазы образуют неустойчивую систему, в которой органические компоненты распределены в зависимости от температуры, влажности, разбавления воздухом, вида древесины и других факторов. В процессе копчения внутрь продукта проникают, как правило, компоненты органических соединений легких фракций [75, 112].
Химический анализ конденсата коптильного дыма, используемого при проведении исследований на экспериментальной установке, проводился хроматографическим методом [77]. Его результаты представлены на рис. 2.7.
Изучение электрических характеристик процесса копчения в электростатическом поле
Одной из основных электрических характеристик процесса электрокопчения являются сила тока коронного разряда, интенсивность процесса характеризуется таким параметром, как степень осаждения коптильных компонентов на продукте [60, 64, 71]. Сила коронного тока, а точнее её зависимость от приложенного к коронирующим электродам напряжения является, по сути, вольтамперной характеристикой электрокоптильной установки и определяет нагрузку на высоковольтный генератор, а значит, характеризует энергозатраты на процесс электрокопчения. Естественно предположить, что данные характеристики находятся в зависимости от таких основных параметров процесса как относительная влажность в коптильной камере и скорость движения дымовоздушной смеси.
Как уже отмечалось, эффективность процесса характеризуется степенью осаждения К, которая определяется согласно выражению (3.2) в виде отношения разности концентраций дымовоздушной смеси на входе с/ и выходе с2 к концентрации на входе коптильной камеры с,.
К = —— (3-2)
Представляет интерес выяснить характер рассматриваемых зависимостей и по возможности найти значения оптимальных интервалов технологических параметров, которые бы обеспечивали наибольшую эффективность процесса при минимуме энергозатрат. Для решения данной задачи была проведена серия экспериментов в экспериментальной установке. При этом копчению подвергались маринованные яйца перепелов породы «Японский Перепел», производства ООО «Иинтерптица» г. Воронеж (ТУ 9219-003-00419816-03). Процесс вели при фиксированном расстоянии 100 мм. от коро-нирующих электродов до поверхности продукта и постоянной начальной оптической плотности дымовоздушной смеси равной 30 %.
В качестве входных параметров были выбраны скорость дымовоздушной смеси в коптильной камере и (м/с) и относительная влажность дымовоздушной смеси р (%). Диапазоны и интервал варьирования каждого из входных параметров представлены в табл. 3.2.
Было проведено 25 экспериментов, в каждом из которых снималась вольтамперная характеристика (зависимость тока от напряжения) в двадцати точках и экспериментальная зависимость степени осаждения коптильных веществ на продукте от напряжения на коронирующих электродах, также состоящая из двадцати точек. Таким образом, общее число точек данных соста 77 вило пятьсот. Поскольку экспериментальная установка имеет высокий уровень автоматизации и оборудована централизованной системой управления и сбора данных, то снятие такого достаточно большого числа точек данных не представляло особых технических проблем.
В виду достаточной сложности вида полученных зависимостей, их аппроксимация стандартными методами [2, 40, 88, 90] с использованием уравнения регрессии второго порядка представляется крайне затруднительной. Поэтому для обработки полученных экспериментальных данных нами решено было применить математический аппарат на основе нейронных сетей.
Как известно, нейронные сети - это раздел искусственного интеллекта, в котором для обработки сигналов используются явления, аналогичные происходящим в нейронах живых существ [93].
Тематика искусственных нейронных сетей относится к междисциплинарной сфере знаний, связанных с биокибернетикой, электроникой, прикладной математикой, статистикой, автоматикой и даже с медициной [67, 68, 93]. Искусственные нейронные сети возникли на основе знаний о функционировании нервной системы живых существ. Они представляют собой по 79 пытку использования процессов, происходящих в нервных системах, для выработки новых технологических решений.
Передача сигналов внутри нервной системы - это очень сложный электрохимический процесс. С большим упрощением можно считать, что передача нервного импульса между двумя клетками основана на выделении особых химических субстанций, называемых нейромедиаторами, которые формируются под влиянием поступающих от синапсов раздражителей. Эти субстанции воздействуют на клеточную мембрану, вызывая изменение ее энергетического потенциала, причем величина этого изменения пропорциональна количеству нейромедиатора, попадающего на мембрану [93].
Упрошенная структура биологической нервной клетки Синапсы отличаются друг от друга размерами и возможностями концентрации нейромедиатора вблизи своей оболочки.
Из сказанного следует, что каждому входу клетки можно сопоставить численные коэффициенты (веса), пропорциональные количеству нейромедиатора, однократно выделяемого на соответствующем синапсе. В математической модели нейрона входные сигналы должны умножаться на эти коэффициенты для того, чтобы корректно учитывать влияние каждого сигнала на состояние нервной клетки. Синапсические веса должны быть натуральными числами, принимающими как положительные, так и отрицательные значения. В первом случае синапс оказывает возбуждающее, а во втором - тормозящее действие, препятствующее возбуждению клетки другими сигналами. Таким образом, действие возбуждающего синапса может моделироваться положительным значением синапсического веса, а действие тормозящего синапса -отрицательным значением. [93]
В соответствии с принципами функционирования биологических нейронов созданы различные математические модели, которыми в большей или меньшей степени реализуются свойства природной нервной клетки. Другим важным фактором становится выбор стратегии обучения. Можно выделить два подхода: обучение с учителем (англ.: supervised learning) и обучение без учителя (англ.: unsupervised learning).
Решение уравнения диффузии компонентов коптильного дыма
В проведенных исследованиях и предварительной оптимизации электрических характеристик коптильной установки учитывалась лишь та часть энергозатрат, которая приходится на долю высоковольтного генератора. Тогда как суммарная энергоёмкость процесса складываются из энергии, затрачиваемой на работу дымососа, а также на процесс дымоприготовления. Кроме того, полученные в результате предварительной оптимизации интервалы являются весьма широкими и требуется их уточнение. Для этого были при менены стандартные методы планирования эксперимента согласно ГОСТ 24026-80.
Процесс копчения в аппарате с электрическим полем включает в себя целый комплекс разнообразных физических явлений, таких как ионизация газовой составляющей дымовоздушной смеси, сорбция образовавшихся при этом ионов частицами коптильных веществ, в результате чего частицы приобретают заряд и начинают своё движение в электростатическом поле по направлению к поверхности продукта, затем происходит их зацепление с поверхностью и осаждение на ней, а также последующая диффузия коптильных компонентов в толщу продукта [54, 56, 60, 64]. При этом на протекание каждого из указанных явлений оказывает влияние множество различных факторов.
Технически представляется весьма сложным провести такие эксперименты, которые бы учитывали их все. Поэтому необходимо выбрать наиболее значимые и существенные факторы. Существует несколько различных подходов к решению данной задачи.
Один из способов "ранжирования" состоит в опросе специалистов в данной области. Предлагая специалистам, среди которых могут быть ведущие инженеры данного и родственных предприятий, ученые, работающие в близких областях науки, опытные рабочие и т.п., список факторов, просят их присвоить каждому фактору "ранг", т.е. место, которое, по мнению данного специалиста, занимает данный фактор по своему влиянию на параметр.
При этом самому "значимому" фактору присваивается ранг 1, следующему 2 и т.д. Специалистов не следует предварительно знакомить с мнением других участников опроса. Затем ранги, "полученные" каждым фактором, суммируются, и выделяется группа факторов с наименьшими значениями суммы.
К сожалению, в нашем случае данный способ не дает четких результатов ввиду отсутствия специалистов, в достаточной мере обладающих опытом работы над исследованием процесса электрокопчения. Поэтому для выбора наиболее значимых факторов нами было принято решение использовать методику, предусматривающую проведение так называемых "отсеивающих экспериментов" [40, 41].
При этом все рассматриваемые факторы варьировались на двух уровнях. Нижний и верхний уровень каждого фактора выбирается из технологических соображений и предыдущего опыта. При этом копчению подвергались маринованные яйца перепелов породы «Японский Перепел», производства ООО «Иинтерптица» г. Воронеж (ТУ 9219-003-00419816-03).
Общее число опытов должно быть не меньше числа исследуемых факторов. Комбинация уровней факторов определяется "матрицей планирования" - это таблица, показывающая, на каком уровне устанавливается каждый конкретный фактор в каждом опыте. В этой таблице "+1" (или просто "+") означает, что фактор берется на верхнем уровне, "-Г (или "-") - на нижнем. При этом важно, чтобы отличие между уровнями было как можно больше в рамках допустимых пределов работоспособности установки. В каждом конкретном опыте уровни факторов в отсеивающем эксперименте должны быть выбраны так, чтобы матрица планирования обладала следующими свойствами: сумма чисел в каждом столбце кроме первого равнялась 0, и сумма произведений элементов, относящихся к одному опыту, для двух любых столбцов равнялась нулю, т. е. если обозначить Ху - элемент матрицы ву -й строке в /-м столбце, то
В качестве входных факторов взяты: х7 - температура дымовоздуш-ной смеси в коптильной камере, К; х2 - скорость движения дымовоздушной смеси в коптильной камере, м/с; хз - напряженность электрического поля, кВ/м; х4 - оптическая плотность дымовоздушнои смеси на входе в коптильную камеру, %; х5 - относительная влажность дымовоздушнои смеси, поступающей в коптильную камеру, %; х6 - температура пиролиза опилок в дымо-генераторе, К; ху - удельная поверхность опилок, поступающих в дымогене-ратор, м2/кг.
В качестве выходного фактора степень осаждения К, которая определяется в виде отношения разности концентраций дымовоздушнои смеси на входе и выходе к концентрации на входе коптильной камеры.
Диапазоны изменения выбранных факторов при проведении отсеивающих экспериментов выбраны исходя из возможностей экспериментальной установки, указанных в таб. 3.1. и данных из нормативной документации (ТУ 13-332-74 - «Сырьё древесное для копчения»).
