Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы процессов выпаривания и концентрирования 8
1.1. Основные направления исследования процессов 8
1.1.1. Характеристика сырья для получения экстрактов растительного сырья 8
1.1.2. Характеристика процессов концентрирования 10
1.2. Аппаратурное оформление процессов концентрирования 12
1.2.1. Классификация выпарных аппаратов 12
1.2.2. Процессы в роторно-пленочном выпарном аппарате 20
1.2.3. Конструкции роторно-пленочных выпарных аппаратов 25
1.2.4. Пути интенсификации процессов концентрирования экстрактов плодово ягодного сырья 29
1.3. Подходы к моделированию процессов концентрирования 30
ГЛАВА 2. Теоретическое описание процессов концентрирования в роторно-пленочном выпарном аппарате 36
2.1. Математическая модель кинетики потоков жидкости в роторно пленочном аппарате 36
2.2. Математическая модель кинетики массообмена при концентрировании в тонкой пленке 42
2.2.1. Идентификация параметров модели кинетики массообмена 42
2.2.2. Исследование факторов, влияющих на толщину тонкой пленки 46
2.2.3. Определение производительности аппарата по упаренному раствору
ГЛАВА 3. Методологическое и аппаратурное оформлениеисследовательской работы 54
3.1. Объекты и методы проведения исследований 54
3.2. Описание лабораторной установки 54
3.3. Описание методик проведения экспериментальных работ
3.3.1. Технология получения экстрактов 57
3.3.2. Методика проведения многократного выпаривания 58
3.3.3. Методика замера скорости перемещения пленки по поверхности испарителя 59
3.3.4. Методика определения коэффициента концентрирования 59
ГЛАВА 4. Результаты собственных исследований 61
4.1. Обоснование выбора экстрагента 61
4.2. Исследование процесса концентрирования в тонкой пленке 64
4.3. Влияние величины вакуума на интенсивность процесса концентрирования 68
4.4. Исследование процесса многократного концентрирования 71
4.5. Влияние конструктивных параметров аппарата на интенсивность концентрирования 74
4.6. Нахождение параметров модели кинетики массообмена в тонкой пленке 77
4.7. Определение толщины тонкой пленки от режимных параметров работы аппарата 80
4.8. Исследование показателей качества сырья и продуктов переработки черноплодной рябины 81
4.9. Опытно-промышленные испытания новой конструкции роторно-пленочного аппарата 85
Основные результаты и выводы по работе 91
Литература
- Аппаратурное оформление процессов концентрирования
- Математическая модель кинетики массообмена при концентрировании в тонкой пленке
- Описание методик проведения экспериментальных работ
- Влияние конструктивных параметров аппарата на интенсивность концентрирования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В целях реализации концепции
здорового питания многие предприятия пищевой промышленности
ориентированы на производство полезной и качественной продукции для людей. Для этого широко используется добавление в продукцию настоев, экстрактов и полуфабрикатов из натурального природного сырья. Для сокращения объемов хранения ягодных и плодовых жидких полуфабрикатов, а также для изготовления экстракта используется процесс концентрирования, задачей которого является повышение концентрации целевого компонента за счет удаления жидкого растворителя. При этом в растворе необходимо сохранить все полезные свойства первоначального сырья. Использование концентратов позволяет увеличить срок хранения продуктов, уменьшить расходы, связанные с транспортировкой. Процесс концентрирования традиционно проводят в выпарных аппаратах. Наиболее эффективными в работе зарекомендовали себя роторно-пленочные выпарные аппараты, в которых удаление растворителя происходит из тонкой пленки раствора, перемещаемой лопастями ротора по греющей поверхности.
Проблемой, возникающей при термической обработке сырья, в том числе при выпаривании, является частичная или полная потеря полезных свойств сырья, поэтому температуру обработки стремятся уменьшить, особенно для термолабильных веществ. Кроме того, для сохранения полезных свойств продукта необходимо уменьшить время обработки раствора и обеспечить более равномерное распределение обрабатываемого раствора по рабочей поверхности испарителя. Для решения этих задач необходимо модернизировать конструкции существующих аппаратов, либо разработать новое высокоинтенсивное оборудование для концентрирования, обеспечивающее высокую скорость протекания процесса при сохранении полезных свойств растительного сырья.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в исследование процессов концентрирования жидких растворов внесли: С.Т. Антипов, И.М. Василинец, Е.В. Воронцов, В.Б. Коган, В.М. Лысянский, А.М. Попов, А.Ф. Сорокопуд, Ю.М. Тананайко, Е.И. Таубман и др.
Работа выполнена в соответствии с планом НИРФГБОУ ВО КемТИПП (университет) «Совершенствование технологии переработки плодово-ягодного сырья с использованием инновационных технологических приемов» (№ государственной регистрации АААА-А16-116042810072-6).
Объект исследования – процесс концентрирования экстрактов ягод черноплодной рябины в роторно-пленочном выпарном аппарате с изменяемой геометрией лопастей.
Предмет исследования – выявление общих закономерностей процессов концентрирования экстрактов черноплодной рябины при выпаривании в тонкой пленке.
Цель и задачи. Повышение интенсивности процессов концентрирования водно-спиртовых экстрактов черноплодной рябины в роторно-пленочном выпарном аппарате (РПА) с изменяемой геометрией лопастей.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Проанализировать теорию процессов концентрирования экстрактов плодово-ягодного сырья и существующие конструкции РПА с шарнирно-закрепленными лопастями, сформировать требования к новым конструкциям;
-
Разработать и провести анализ математической модели кинетики потоков жидкости на рабочей поверхности испарителя;
-
На основе закона действующих масс аналитическим путем разработать математическую модель кинетики массообмена в тонкой пленке;
-
Разработать и исследовать новую конструкцию РПА с целью выявления рациональных конструктивных и режимных параметров работы, обеспечивающих интенсификацию процесса концентрирования;
-
Определить параметры модели кинетики массообмена при варьировании режимных параметров процесса концентрирования;
-
Исследовать изменение показателей качества сырья и экстрактов в процессе концентрирования;
-
Провести опытно-промышленные испытания новой конструкции РПА в составе технологической линии производства витаминизированных безалкогольных напитков с концентрированными экстрактами черноплодной рябины.
Научная новизна. На основе анализа движения потоков жидкости в роторно-пленочном выпарном аппарате получена математическая модель кинетики, позволяющая выбирать рациональные конструктивные параметры аппарата.
С использованием закона действующих масс разработана математическая модель кинетики процесса массообмена в тонкой пленке. Проведен анализ кинетики процесса выпаривания в тонкой пленке в зависимости от свойств раствора и геометрических параметров аппарата.
Получены зависимости в виде регрессионных уравнений влияния режимных параметров выпаривания на коэффициент концентрирования, характеризующий интенсивность процесса. Определены рациональные значения конструктивных параметров РПА для достижения максимальной производительности аппарата по упаренному раствору.
На основе разработанного программного обеспечения проведен анализ влияния свойств раствора на значение коэффициента молекулярной диффузии.
Исследованы показатели качества экстрактов и их изменение в процессе концентрирования.
Практическая значимость. На основе проведенных исследований разработаны и запатентованы две новые конструкции роторно-пленочных выпарных аппаратов (патент РФ № 117824 и № 120369) и получено свидетельство о ПРЭВМ № 2012614315. Предложено аппаратурное оформление модернизированной технологической линии производства безалкогольного витаминизированного напитка, включающей в свой состав новую конструкцию роторно-пленочного выпарного аппарата на ООО НПО «Здоровое питание», г. Кемерово.
Методология и методы исследования. При организации и проведении экспериментов применялись общепринятые методы сбора, сравнительного анализа и систематизации научной информации, стандартные методы лабораторного анализа, результаты которых обрабатывались с использованием современных программных продуктов.
Положения, выносимые на защиту. Математическое описание
кинетики потоков жидкости в роторно-пленочном выпарном аппарате.
Математическая модель кинетики процесса массообмена в тонкой пленке.
Новая конструкция роторно-пленочного выпарного аппарата. Результаты
экспериментальных исследований по определению рациональных
конструктивных и режимных параметров работы новой конструкции роторно-пленочного выпарного аппарата.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность
полученных результатов обеспечивается использованием современных средств
и методов исследований, обоснованных теоретическими положениями.
Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения
подтверждены результатами экспериментальных исследований. При
выполнении экспериментальных исследований использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.
Основные результаты, представленные в данной работе, обсуждались на международных научно-технических конференциях (2012-2016 гг.): «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012); «Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении и строительстве» (Курск, 2013); «Инновационная Евразия» (Екатеринбург, 2014); «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2014); «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Основной текст изложен на 121 страницах машинописного текста, который содержит 35 рисунок и 7 таблиц. Список литературы включает 98 наименований, 5 приложений.
Аппаратурное оформление процессов концентрирования
Выпарные аппараты чаще всего классифицируют по следующим признакам: 1. По принципу их действия. Выпарные аппараты делятся на аппараты непрерывного и периодического действия. Аппараты периодического и непрерывного действия обладают рядом преимуществ и недостатков. Чаще всего аппараты периодического действия используют на малых предприятиях [50]. 2. По первичному теплоносителю. Выпарные установки подразделяют на аппараты с газовым (продукты сгорания, горячий воздух и др.), паровым и жидкостным (вода, масло и др.) теплоносителями, а также с электрическим обогревом [73]. 3. По совмещению стадий нагрева и парообразования. Выпариватели можно разделить на аппараты, в которых стадии нагрева и парообразования совмещены, и аппараты, в которых зона парообразования вынесена [80]. 4. По подвижности поверхности нагрева. Чаще всего установки подразделяют на аппараты с подвижной и неподвижной поверхностью нагрева. Использование подвижной поверхности нагрева необходимо для интенсификации процесса теплообмена [40]. 5. По способу организации движения раствора. Выпарные аппараты можно разделить на аппараты с принудительной и естественной циркуляцией, многократной и однократной [48]. 6. По расположению зоны испарения. По данному признаку выпариватели делят на аппараты, в которых выпаривание раствора происходит внутри труб, либо внутри объема аппарата. В этом случае жидкость может находиться снаружи поверхности нагрева или внутри нее. 7. По степени заполнения сечения труб. Так испарители поделены на аппараты с незаполненными заполненным сечением. К первым относятся испарители со вставками и пленочные [32]. 8. По направлению движения пара и жидкости. Аппараты могут быть с жидкостью, движущейся снизу вверх, или сверху вниз. В первом случае выпариватели с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению перемещения вторичного пара – встречный или попутный поток [50]. 9. По ориентации поверхности нагрева. В этом случае выпарные аппараты классифицируют по расположению поверхности нагрева: вертикально, горизонтально или наклонно. Выпарные аппараты могут классифицироваться по степени концентрирования на аппараты с небольшой концентрирующей способностью, и аппараты с высокой концентрирующей способностью, применяемые в однокорпусных установках и в последних ступенях многокорпусной выпарной установке (МВУ),а также по производительности – на аппараты малой и большой производительности [33].
По виду ротора РПА [12] подразделяют на аппараты с жестко закрепленными лопастями (жестким ротором), с подвижно закрепленными лопастями и аппараты с комбинированной подвеской лопастей. В РПА с жестким ротором зазор между концами лопастей и рабочей поверхностью корпуса является фиксированным и не изменяется во время работы аппарата. Величина указанного зазора обычно составляет от 0,5 до 3 мм.
Линейная скорость концов лопастей в аппаратах с жестким ротором достигает от 12 до 15 м/с. Важным геометрическим параметром РПА является расстояние l, измеряемое по окружности между концами соседних лопастей [12]. Ввиду относительной малости величины зазора между концами лопастей и рабочей поверхностью при определении величины lдопустимо вместо диаметра dл использовать диаметр окружности рабочей поверхности, равный d = dл + 2 . l = 7t-djz (1.1) где dл – диаметр окружности, ометаемой концами лопастей при вращении ротора; z– количество лопастей.
В производственной практике наиболее широко применяются РПА с жестко закрепленными и шарнирно-закрепленными лопастями. При жестком закреплении лопастей, эффективность работы РПА обычно в наименьшей степени подвержена влиянию вязкости обрабатываемых продуктов, что весьма важно, например, для процессов концентрирования и сушки пищевых жидкостей, когда их вязкость резко возрастает в течение времени пребывания в аппарате.
РПА с шарнирно закрепленными лопастями более просты в изготовлении, так как для них не требуется высокой точности при механической обработке рабочей поверхности корпуса и центрировании ротора по отношению к рабочей поверхности корпуса, а также исключается необходимость балансировки ротора. Кроме того, в случае необходимости, шарнирно-закрепленные лопасти могут быть подвергнуты необходимой приработке в режиме их истирания о рабочую поверхность на холостом ходу аппарата. Однако, наряду с этим, из-за самоустановления величины зазора между концами лопастей и рабочей поверхностью, обработка продукта в этих аппаратах может происходить в режиме истирания лопастей – при недостаточной плотности орошения рабочей поверхности, избыточной массе лопастей, излишней скорости вращения ротора, превышающей величину, которая соответствует условию перехода от режима плавания к режиму истирания. Поэтому существует опасность износа лопастей в результате трения о стенку корпуса и загрязнения обрабатываемого продукта (если концы лопастей не снабжены накладками из износостойкого материала). По этой же причине РПА с шарнирно закрепленными лопастями проблематично использовать в условиях взрыво- и пожароопасного производства, где исключается возможность искрообразования и накопления статического электричества при трении подвижных элементов аппарата о неподвижные. Наконец, при повышенной вязкости обрабатываемого продукта и даже умеренной плотности орошения рабочей поверхности (т. е. при умеренной производительности РПА по исходному продукту), величина самоустанавливающегося зазора может достигать 2 - 3 мм и более, в результате чего эффективность аппарата (степень выпаривания, коэффициенты тепло- и массоотдачи, степень превращения реагентов и т. п.) резко снижается. Поэтому произвести обоснованный выбор необходимого и достаточного типоразмера РПА с шарнирно закрепленными лопастями, и практически осуществить вывод его на оптимальный режим работы, сложнее по сравнению с РПА с жестко закрепленными лопастями.
Математическая модель кинетики массообмена при концентрировании в тонкой пленке
Из графика зависимости мощности от частоты вращения ротора, представленного на рисунке 2.2, можно сделать вывод о том, что мощность тем выше, чем выше обороты. Также рост мощности связан и с конструктивной особенностью аппарата, а именно: чем больше длина лопастей ротора, тем большее количество мощности тратится.
Рассмотрим элементарную частицу А материала, движущегося в аппарате (рисунок 2.3). На точку действует две силы: сила притяжения земли G и сила, действующая со стороны лопастей ротора F,под углом атаки лопасти . Рисунок 2.3 - Силы, действующие на точку
Суммарная сила Fсум будет вычислена сложением этих двух сил. Сила притяжения будет всегда постоянной, в отличии от силы F, так как из (2.8) видно, что некоторые переменные могут изменяться. Суммарная сила находится из выражения: Fсум= G2+F2 (2.10) или Fсум= jm2-g2 + (7]-S-—)2 + 2-m-g-7]-S- — -sina . (2.11)
В данном выражении изменяемыми переменными являются масса раствора т в данной точке и угловая скорость CD. Эти величины могут изменяться как в процессе выпаривания, так и перед его началом, в зависимости от желаемого результата. Вязкость раствора может быть разной в начале процесса. Этот показатель зависит от свойств исходного раствора, но также может изменяться в процессе выпаривания за счет изменения химических и физических свойств обрабатываемого раствора. Остальные величины неизменны, а именно: ширина пластины S, расстояние от ротора до рабочей поверхности аппарата R, зазор между лопастью и стенкой аппарата h, т.к. это конструктивные параметры аппарата.
Анализируя рисунок 2.3 видно, что с уменьшением скорости вращения ротора, суммирующая сила будет приближаться к направлению силы тяжести. Тем самым материал в аппарате практически не задерживается, а просто протекает через аппарат. Также при низкой скорости вращения ротора образование пленки нестабильно, в связи с чем ухудшается процесс выпаривания. Изучая график и формулу (2.12), можно сделать вывод, что на время, которое находится раствор в аппарате, влияет много факторов.
На рисунке 2.4 (1 – вязкость 1,5 10-3 Па с; 2 – вязкость 0,94 10-3 Па с; 3 – вязкость 1,94 10-3 Па с) (приложение А, таблица А.2) представлен график изменения суммарной силы при изменении количества оборотов, из которого можно сделать вывод, что сила, действующая на раствор, значительно увеличивается с ростом оборотов ротора.
На графике (рисунок 2.4) представлено изменение суммарной силы при изменяемых показателях вязкости обрабатываемого раствора и частоты вращения ротора, остальные параметры формулы (2.12) постоянны. Изменение суммарной силы, прикладываемой со стороны лопасти на раствор при различных показателях подачи исходного раствора, приведены на рисунке 2.5. 0.182 0.181 0.18 0.179 0.178 0.177 0.176 0.175
Анализ рисунка 2.5 показывает, что сила действия лопастей ротора на обрабатываемый раствор возрастает с ростом расхода вещества. При сравнении графиков 2.4 и 2.5 наблюдается рост суммарной силы, но при изменении числа оборотов воздействие лопастей ротора более значительно, чем при изменении расхода.
По результатам анализа модели установлены рациональные пределы изменения частоты вращения ротора (от 2 до 10 с-1) и геометрические параметры аппарата (длина лопасти ротора не должна превышать 0,05 м).
Изучение процесса концентрирования экстрактов из плодово-ягодного сырья в роторно-пленочном аппарате затруднено из-за таких факторов, как вязкость, удельная теплоемкость, сложность конструкции аппарата. Физико-химические свойства раствора изменяются во времени и по все длине рабочей поверхности аппарата [34].
Но есть и другой подход к исследованию данного процесса. Так как обрабатываемый раствор состоит из 3 основных компонентов: спирт, вода и сухое вещество, то во время выпаривания из раствора удаляется в большей степени спирт и частично вода, находящаяся в малой связи с сухими веществами. Для удаления из раствора воды, которая находится в тесной (молекулярной) связи, требуется больше времени и тепла. Методика заключается в исследовании процесса изменения концентрации спирта в меняющемся по объему растворе [35].
Согласно закону действующих масс в кинетической форме в тепло-массообменном процессе, скорость убыли концентрации С определяется произведением константы скорости процесса E и концентрации С. Где E оценивается экспериментальными или теоретическими методами физической химии [65, 72].
Описание методик проведения экспериментальных работ
Для нахождения численных величин коэффициента молекулярной диффузии и анализа процесса экстрагирования разработано программное обеспечение, которое позволяет наблюдать изменение данного показателя во времени при варьировании геометрических размеров обрабатываемого тела, температуры, при которой экстрагируется растительное сырье, и других факторов. Данная программа позволяет прогнозировать протекание процесса экстрагирования при различных условиях. Это программное обеспечение реализовано средствами макросов в пакете Microsoft Office Excel. При работе с данной программой сначала задаются исходные параметры: температура и время экстрагирования, массовое соотношение растительного сырья к жидкому растворителю, геометрические размеры частиц. На втором этапе работы программы из объема данных выбирается величина концентрации сухих веществ и высчитывается симплекс концентрации целевого компонента. Коэффициент молекулярной диффузии вычисляется при заданных ранее параметрах протекания процесса и происходит построение графика его изменения во времени.
Использование симплекса концентрации, полученного на основе методов теории подобия, позволяет проанализировать ход процесса экстрагирования растительного сырья. На основе разработанной программы можно получить расчетные и графические данные зависимости коэффициента молекулярной диффузии от исходных параметров процесса, характеристик сырья, используемого экстрагента [62].
Процесс проводился по одному методу, а именно классическому экстрагированию, как одному из самых простых и менее затратных. Перед экстрагированием ягоду черноплодной рябины предварительно промывали и очищали от мусора, затем раздавливали. Полученную массу смешивали с водно-спиртовым раствором 60 %, в пропорции 1 кг ягоды к 2 кг водно-спиртового раствора.
Раствор помещали в темное место на 12 часов с постоянным перемешиванием через каждый час. Полученный экстракт фильтровали, а затем чистый продукт выпаривали на лабораторной установке роторного пленочного выпарного аппарата. На рисунке 4.1 представлен график изменения коэффициента молекулярной диффузии во времени.
Из графика 4.1 видно, что процесс экстрагирования проходит интенсивно только в начале процесса (20 – 30 мин.), в дальнейшем его интенсивность резко уменьшается. Уменьшение размеров частиц до 0,2 мм увеличивает значение коэффициента D в несколько раз.
Проведены исследования, направленные на нахождение численных значений коэффициента молекулярной диффузии при экстрагировании плодов черноплодной рябины. В качестве экстрагента использовались два раствора: водно-спиртовой (содержание спирта 60 %) и водный. По результатам расчетов установлено, что использование водно-спиртового раствора позволяет интенсифицировать процесс экстрагирования в среднем на 30–40 %.
По закону сохранения массы, количество поступающих веществ Gн должно быть равно количеству веществ Gк, получаемых в результате проведения процесса с учетом потерь Gп [29]: Цон= ок+ оп (4.4)
Материальный баланс необходим для определения выхода готового продукта на единицу затраченного сырья [29]. На кафедре «Технологическое проектирование пищевых производств» проводились эксперименты на лабораторной установке роторно-пленочного выпарного аппарата при различных режимах его работы и конструкций лопастей ротора.
Проведены опыты, направленные на выявление зависимости коэффициента концентрирования от температуры, подачи раствора в аппарат, величины вакуума, частоты вращения ротора. Установлено, что на величину коэффициента концентрирования наиболее значительно влияют подача исходного раствора, подаваемого в аппарат, и температура поверхности испарителя.
Диапазон температур от 45 до 55 оС выбран по ряду причин. Нижнее значение обусловливается тем, что при более низких температурах процесс концентрирования протекает неэффективно (модуль концентрации выше 0,75), а верхнее – явлением налипания исходного раствора на рабочие поверхности аппарата и уменьшением содержания витамина С в продукте [8].
Временные рамки определены предварительной серией опытов, анализ которых показал, что нахождение экстракта в аппарате менее 20 минут при максимальной температуре нерационально. Таким образом, опираясь на результаты ранее проведенных исследований, нами выбран рациональный временной диапазон от 30 до 50 минут. По результатам экспериментов построен график зависимости на рисунке 4.2 (Приложение Б, таблица Б.1).
Зависимость коэффициента концентрирования от режимных параметров работы аппарата С использованием методов регрессионного анализа получено линейное уравнение множественной регрессии в натуральном виде, описывающее изменение коэффициента концентрирования (К) в зависимости от количества подаваемого раствора (q) и температуры поверхности испарителя (7): К = 0,815 + 1,77 -9-0,013 -Т (4.5) Данное уравнение множественной регрессии описывает 93,7% полученных результатов и не учитывает только 8,3% факторов. Из записи уравнения видно, что, при увеличении времени на 1 единицу, значение концентрации изменится на 1,5 единицы, а повышение температуры на 1С изменяет концентрацию на 0,011 единиц.
Из графика (рисунок 4.2) видно, что, с увеличением времени пребывания исходного раствора в аппарате и его температуры, уменьшается значение коэффициента концентрирования. Изменение температуры греющей рубашки имеет большее влияние, чем время пребывания раствора в аппарате.
Влияние конструктивных параметров аппарата на интенсивность концентрирования
Анализ данных, представленных в таблице 4.5,показывает, что при повышении температуры поверхности испарителя, происходит увеличение массовой доли сухих веществ в готовом продукте. При этом содержание спирта уменьшается, так как происходит его выпаривание из обрабатываемого экстракта, и чем выше температура, тем процесс концентрирования проходит интенсивнее. Увеличение массовой доли сухих веществ свидетельствует об улучшении качества конечного продукта. Анализ влияния объема подаваемого исходного продукта в аппарат показывает, что его снижение приводит к уменьшению содержания спирта и увеличению массовой доли сухих веществ. Это объясняется тем, что при небольшом объеме подаваемого раствора процесс концентрирования происходит более интенсивно при всех температурах эксперимента. Отсюда можно сделать вывод, что наиболее рациональными параметрами для получения продукта высокого качество является температура 55 оС и объем подаваемого исходного раствора 0,1 мл/с.
При корреляционном анализе зависимости (4.9) массовой доли сухих веществ от рабочих параметров процесса концентрирования определена теснота коэффициентов парной корреляции, представленная в таблице 4.6,из которой видно, что параметры температуры и подачи исходного раствора не имеют между собой связи, и остаются в данном регрессионном уравнении.
Сухие вещества Температура Подача Сухие вещества 1 Температура 0,856 1 Подача -0,465 0 1 Для оценки значимости регрессионного уравнения (4.9) проведена его проверка на адекватность по критерию Фишера. Для этого проводился математический расчет по формуле (2.26) и проверка условия (2.27). Так Ссух. рас. = 66,85, а Ссух. табл. = 3,49, то условие адекватности предложенного регрессионного уравнения выполняется Ссух. рас. Ссух. табл.
Во время математического анализа выведенного регрессионного уравнения проведена оценка статической значимости параметров регрессии по t-критерию Стьюдента. Расчет значимости коэффициентов производился по формуле (4.6).Выполнение условия (4.7) показало, что параметры регрессии считаются значимыми, так какi1 = 9,4 , i2 = -5,1, когдаiтабл = 3,5.
Проведены исследования при рациональных параметрах работы аппарата, изменения показателей качества продукта и сырья в процессе получения готовых концентратов приведены в таблице 4.7.
Как следует из приведенных данных, экстрагент водно-спиртовый с концентрацией этилового спирта 60 %позволяет получить начальный экстракт с содержанием сухих веществ 11,3 %.
По полученным данным сумма фенольных соединений сконцентрировалась в 12 раз. Содержание лейкоантоцианов повысилось в концентрате в 2,6 раза. Именно водно-спиртовый растворитель позволяет извлечь больше фенольных соединений. После тепловой обработки и концентрирования содержание витамина оС составило 72,9 мг/100 г, что свидетельствует о его стабилизации полифенольными соединениями. Таблица 4.7- Сравнительная характеристика показателей качества сырья и продуктов переработки черноплодной рябины
Наименование показателей Замороженные плоды Экстракт водно-спиртовый Концентрат Массовая доля влаги, % 78,89 - 60,92 Массовая доля сухих веществ, % 21,11 11,3 39,08 Массовая доля титруемых кислот (в пересчете на яблочную кислоту), % 2,35 0,92 9,05 Массовая доля редуцирующих сахаров, % 4,8 3,4 9,7 Сумма фенольных соединений, мг% 821,3 660 7800 Антоцианы, мг/100 г 544,01 243,6 638,8 Витамин С, мг/100 г 50,31 39,6 72,96 Спирт, % об. — 22,84 ___ После проведения процесса концентрирования экстракта плодов черноплодной рябины, доля сухих веществ в растворе достигает 39 %. Таким образом, при концентрировании экстрактов плодов черноплодной рябины в роторно-пленочном выпарном аппарате новой конструкции, получаем концентрат высокого качества, который возможно использовать как самостоятельный готовый продукт, так и в других технологиях пищевых производств.
В этом подразделе показано практическое использование результатов работы. Проведены опытно-промышленные испытания разработанного роторно-пленочного выпарного аппарата с изменяемой геометрией лопастей ротора с целью использования на предприятии ООО НПО «Здоровое питание», в составе технологической линии получения витаминизированного безалкогольного напитка с внесением концентрированного экстракта черноплодной рябины. Качество экстракта определялось при помощи коэффициента концентрирования К, а также по содержанию в нем сухих веществ, которое определяли методом высушивания. Результаты испытаний позволяют сделать вывод о хорошем качестве концентрирования, так как Кс не превышал 0,3.
Основным материалом для производства концентрированных полуфабрикатов являются экстракты и плодово-ягодные натуральные соки, в которых содержится большое количество биологически активных веществ.
На рисунке 4.11 изображена технологическая схема производства концентрата экстрактивной части безалкогольных напитков, предполагающей его приготовление на основе плодово-ягодных соков [24].