Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные тенденции в переработке растительного сырья: характеристика сырья и продуктов, области использования, перспективы и проблемы производства 23
1.1 Общая характеристика растительного сырья и сухих дисперсных продуктов 23
1.2 Перспективы производства и области использования сухих дисперсных продуктов из растительного сырья 29
1.3 Анализ современных технологий переработки растительного сырья 31
1.4 Теоретические предпосылки моделирования процесса сушки растительных продуктов 37
1.5 Анализ перспективных способов и конструкторских решений для производства сухих дисперсных материалов из растительного сырья 42
1.6 Анализ литературного обзора, научная концепция 62
ГЛАВА 2. Анализ физико-химических, гигроскопических и теплофизических свойств продуктов и концентратов из растительного сырья 68
2.1 Краткая характеристика внутреннего строения и физиологии растительного материала 68
2.2 Теплофизические и структурно–механические характеристики продуктов и концентратов из растительного сырья 74
2.2.1 Исследование плотности 77
2.2.2 Исследование удельной теплоемкости 87
2.2.3 Исследование теплопроводности 92
2.2.4 Исследование температуропроводности 98
2.2.5 Анализ результатов 100
2.3 Анализ гигроскопических характеристик и механизма взаимодействия с водой продуктов из растительного сырья 102
2.3.1 Экспериментально-аналитическое исследование гигроскопических характеристик 103
2.3.2 Механизм взаимодействия продуктов из растительного сырья с водой 105
2.3.3 Математическое описание процесса сорбции паров влаги продуктами из растительного сырья 113
2.3.4 Экспериментально-аналитическое исследование влияния температуры на гигроскопические характеристики 115
2.3.5 Аналитический метод расчета процессов сорбции водяного пара продуктами из растительного сырья 118
2.3.6 Анализ влияния степени измельчения продуктов на процессы их взаимодействия с водой 122
2.4 Экспериментально-аналитическое исследование кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами 125
2.5 Механизм взаимодействия растительных экстрактов с водой 130
2.6 Терморадиационные и оптические характеристики плодоовощных концентратов 132
2.7 Основные выводы и результаты 135
ГЛАВА 3. Термодинамический анализ внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов из растительного сырья с водой 138
3.1 Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов из растительного сырья с водой 138
3.2 Фазовые превращения при внутреннем тепло- и массопереносе в процессе сушки растительных материалов 143
3.3 Эффективность использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания 146
3.4 Аналитический метод расчета термодинамических параметров 154
3.5 Термодинамический анализ внутреннего массопереноса при взаимодействии растительных экстрактов с водой 156
3.6 Основные выводы и результаты 158
ГЛАВА 4. Механизм внутреннего тепломассопереноса при сушке в диспергированном состоянии продуктов переработки растительного сырья 159
4.1 Исследование кинетики конвективной распылительной сушки растительных материалов 160
4.2 Исследование кинетики конвективно-радиационной распылительной сушки растительных материалов 171
4.3 Исследование процессов формирования капиллярно-пористой структуры и изменение структурно-механических свойств продуктов при распылительной сушке растительных материалов 183
4.4 Анализ механизма внутреннего тепломассопереноса при распылительной сушке растительных материалов 195
4.5 Исследование кинетики конвективно-радиационной сушки плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии 203
4.6 Анализ механизма внутреннего массопереноса при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии 210
4.7 Основные выводы и результаты 220
ГЛАВА 5. Совершенствование процессов сушки продуктов переработки растительного сырья в диспергированном состоянии 223
5.1 Совершенствование тепломассообменных процессов и анализ влияния основных факторов на эффективность обезвоживания при конвективной распылительной сушке растительных материалов 223
5.2 Разработка режимных параметров конвективной распылительной сушки 229
5.3 Анализ влияния основных факторов на производительность при конвективно-радиационной распылительной сушке плодоовощных пюре 234
5.4 Разработка рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки плодоовощных пюре 238
5.5 Совершенствование тепломассообменных процессов и анализ влияния основных факторов на эффективность обезвоживания при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии 240
5.6 Критериальное уравнение рационализации сушки кусковых продуктов во взвешенном состоянии 245
5.7 Анализ технологий производства сухих дисперсных растительных материалов, рациональные режимы и выбор способа сушки 255
5.8 Выводы по разделу 260
ГЛАВА 6. Математическая модель тепломассопереноса и расчет полей температур в материале при сушке продуктов переработки растительного сырья в диспергированном состоянии 262
6.1 Математическая модель тепломассопереноса при конвективной распылительной сушке растительного материала 262
6.2 Математическая модель тепломассопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке растительного материала 271
6.3 Математическая модель тепломассопереноса и учет усадки при распылительной сушке частиц растительного материала 276
6.4 Выводы по разделу 279
ГЛАВА 7. Практическое применение результатов научных исследований и проектно технических решений 280
7.1 Тестирование и практическая реализация режимных параметров конвективной распылительной сушки растительных материалов 280
7.2 Тестирование режимных параметров конвективно-радиационной распылительной сушки растительных материалов 288
7.3 Анализ качества сухих дисперсных растительных материалов 291
7.4 Алгоритм разработки комбинированных рациональных режимов 2-х зонной распылительной сушки 296
7.5 Автоматизированный расчет физико-химических свойств растительных материалов и рациональных параметров
процесса их сушки 298
7.6 Конструкторские решения для организации эффективной сушки и других процессов при производстве сухих дисперсных материалов из растительного сырья 298
7.7 Промышленное внедрение и практическое использование результатов исследований 307
7.8 Общие рекомендации по практическому использованию результатов исследований 311
Основные выводы и результаты список литературы
- Анализ современных технологий переработки растительного сырья
- Анализ гигроскопических характеристик и механизма взаимодействия с водой продуктов из растительного сырья
- Эффективность использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания
- Анализ механизма внутреннего массопереноса при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии
Введение к работе
Актуальность избранной темы. Разработанная Министерством экономического развития и торговли РФ «Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 года» определяет ряд положений по переходу экономики от экспортно-сырьевого к инновационному пути развития, в т.ч., за счет снижения энергоемкости, повышения экологической безопасности и модернизации перерабатывающих производств.
Для устойчивого развития и обеспечения высокой конкурентоспособности продукции на внешнем и внутреннем рынках пищевая отрасль России нуждается в постоянной реконструкции на основе разработки и внедрения современного оборудования, совершенствования традиционных и создания инновационных комплексных безотходных технологий. Актуальность развития пищевой промышленности связана с решением проблем несбалансированности питания населения, недостатка функциональных продуктов, снижения себестоимости производства пищевых товаров массового потребления. На сегодняшний день отмечается устойчивый спрос на натуральную растительную продукцию.
Использование в большинстве случаев скоропортящихся и требующих создания специальных условий при транспортировке и хранении свежих растительных продуктов в пищевых технологиях ограничено, так как это усложняет организацию производства и приводит к увеличению себестоимости товарной продукции при увеличении производственных рисков. Применение сухих кусковых и порошковых форм длительного хранения, экономически оправдано и технологически рационально. Продукты переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав используются при производстве пищевых продуктов. Кроме традиционных концентратов и сухофруктов, на сегодняшний день, промышленность поставляет на рынок всевозможные сухие продукты: овощные, фруктовые и ягодные порошки; сухие порошковые соки, чаи, специи и экстракты из растительного сырья; кусковые плодоовощные продукты, пищевые волокна. Использование сухих дисперсных растительных продуктов пищевыми предприятиями позволяет расширять ассортимент, повысить пищевую и биологическую ценность товаров и совершенствовать технологии производства.
Решение задач повышения эффективности предприятий АПК, в том числе специализирующихся на производстве сухих растительных продуктов актуально и требует научного подхода с учетом специфики технологии, свойств сырья и требований к продукции для обеспечения продовольственной безопасности РФ.
Значительный вклад в разработку и развитие теории и техники сушки дисперсных материалов внесли ученые А.С. Гинзбург, А.В. Лыков, М.В. Лыков, В.И. Муштаев, П.А. Ребиндер, Б.С. Сажин, И.А. Рогов, Ю.М. Плаксин, С.П. Ру-добашта, П.Г. Романков, В.И. Попов, И.Т. Кретов, С.Т. Антипов, И.Ю. Алекса-нян, А.Н. Остриков, В.Е. Куцакова, Б.И. Леончик, О. Кришер и многие другие.
Диссертационная работа выполнена в рамках Перечня критических технологий РФ, утвержденного Президентом Российской Федерации В.В. Путиным 21 мая 2006г. Пр-842 (п. «Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания»), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно – технологического комплекса России
на 2007- 2012 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006г. № 977-р.), а также в соответствии с тематическим планом НИОКР в рамках государственного задания и согласно координационному плану научно-исследовательской работы кафедры «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии при конвективном и конвективно-радиационном способах энергоподвода за счет изучения и анализа физико-химических свойств продуктов, моделирования и анализа процессов тепломассообмена, разработки рациональных режимов обезвоживания и конструкций сушильных установок.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
-
Систематизировать данные литературных источников, экспериментально установить и проанализировать функциональные зависимости для расчета теплофи-зических, структурно–механических и гигроскопических характеристик продуктов и концентратов из растительного сырья в реальных диапазонах изменения их влажности и температуры в процессе сушки.
-
Проанализировать влияние степени измельчения капиллярно-пористой клеточной структуры, температуры и влажности растительного материала на тепло-физические, структурно–механические и гигроскопические характеристики продуктов и концентратов из растительного сырья.
-
Исследовать механизм взаимодействия продуктов и концентратов из растительного сырья с водой, дать характеристику растительным материалам как объектам сушки и оценить виды и энергию связи влаги с растительным сырьем в увязке с процессом обезвоживания. Разработать аналитический метод расчета процессов сорбции водяного пара продуктами и концентратами из растительного сырья.
-
Установить зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета промежутков времени выполнения технологических операций.
-
Проанализировать механизм и особенности внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой. Оценить эффективность использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания и проанализировать фазовые превращения при внутреннем тепломассопереносе в процессе сушки растительных материалов.
-
Разработать аналитический метод расчета термодинамических параметров при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой.
-
Исследовать механизм тепломассопереноса при обезвоживании в диспергированном состоянии продуктов переработки растительного сырья, в том числе с учетом процессов формирования капиллярно-пористой структуры материалов при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Исследовать процесс конвективно-радиационной сушки во взвешенном состоянии плодоовощных продуктов.
-
Выявить закономерности изменения во времени процесса основных параметров высушиваемого продукта (переменные во времени процесса свойства, форма,
размер, структура частиц) и дать оценку их влиянию на характер и скорость теп-ломассообменных процессов при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Установить функциональные зависимости скорости сушки для растительных материалов.
9) Реализовать математическую постановку и решить задачу рационализации
сушильного процесса при сушке растительных материалов. Установить рацио
нальные режимы сушки растительных материалов.
-
Реализовать математическую модель внутреннего тепломассопереноса при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке растительных материалов.
-
Разработать способы сушки, конструкторские решения для организации эффективной сушки при производстве сухих дисперсных материалов.
-
Разработать рекомендации по практическому использованию результатов научных исследований и проектно-технических решений. Апробировать, протестировать и внедрить основные результаты на предприятиях отрасли.
Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов и методов совершенствования процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии при конвективном и конвективно-радиационном способах энергоподвода с соответствующим аппаратурным оформлением на основе изучения физико-химических свойств продуктов, анализа кинетических закономерностей процессов тепломассообмена и их моделирования, разработки рациональных режимов обезвоживания, обеспечивающих высокое качество получаемых продуктов.
Положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментально-аналитических исследований теплофизических, структурно–механических и гигроскопических характеристик продуктов и концентратов из растительного сырья;
результаты экспериментально-аналитических исследований механизма тепло-массопереноса и кинетических закономерностей процесса сушки в диспергированном состоянии продуктов переработки растительного сырья при конвективном и конвективно-радиационном способах энергоподвода;
результаты математического моделирования внутреннего тепломассопереноса при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке растительных материалов;
конструктивные особенности распылительных установок для сушки.
Научная новизна. Систематизированы и обобщены результаты экспериментов и данные литературных источников, установлены и проанализированы функциональные зависимости для расчета теплофизических, структурно– механических и гигроскопических характеристик продуктов и концентратов из растительного сырья в реальных диапазонах изменения их влажности и температуры в процессе сушки. Проведен анализ и дана оценка влиянию степени измельчения капиллярно-пористой клеточной структуры, температуры и влажности растительного материала на теплофизические, структурно–механические и гигроскопические характеристики продуктов и концентратов из растительного сырья. Исследован механизм взаимодействия продуктов и концентратов из растительного сырья с водой, дана характеристика растительным материалам как объектам сушки, представлена классификация видов и энергий связи влаги с растительным сырьем в увязке с процессом обезвоживания. Проанализирован механизм и осо-5
бенности внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой. Проанализированы фазовые превращения при внутреннем тепло- и массопереносе в процессе сушки растительных материалов. Исследован механизм внутреннего тепломассопереноса при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке продуктов переработки растительного сырья. Дана комплексная оценка тепломассообмену и внутреннему тепломассопереносу при сушке растительного сырья в диспергированном состоянии. Проанализирован механизм влагоудаления при формировании капиллярно-пористой структуры растительных материалов в процессе распылительной сушки при конвективном и конвективно-радиационном способах энергоподвода. Исследован процесс конвективно-радиационной сушки во взвешенном состоянии плодоовощных продуктов. Установлены закономерности изменения комплекса параметров высушиваемого продукта (переменные во времени процесса свойства, форма, размер, структура частиц), которые оказывают влияние на характер и скорость тепломассообменных процессов при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Установлены функциональные зависимости скорости сушки для различных растительных материалов при различных режимах для расчета рациональных параметров и времени процесса сушки при проектировании сушильной техники. Для аналитического расчета изменений температуры материала в объеме дисперсных частиц реализована математическая модель внутреннего тепломассопереноса при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке растительных материалов, основанная на решении методом конечных разностей дифференциального уравнения переноса тепла с учетом режимных параметров и кинетики процесса сушки, гигроскопических, теплофизических и других физико-химических свойств материала, термодинамических параметров взаимодействия объекта сушки с водой.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан аналитический метод расчета процессов сорбции водяного пара продуктами и концентратами из растительного сырья. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Дана оценка эффективности использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания. Разработан аналитический метод расчета термодинамических параметров, дифференциальных изменений свободной энергии, связанной энергии и теплового эффекта сорбции при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой. Для практического применения, определения физико-химических характеристик и расчета термодинамических параметров разработаны программы для ЭВМ (Свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013614147, №2014613311, 2015619010, 2015619046) и получен патент на полезную модель 120236РФ. Реализована математическая постановка и решена задача рационализации сушильного процесса при сушке растительных материалов. Установлены функциональные зависимости удельной производительности сушилки от влияющих параметров и рациональные режимы для следующих вариантов организации сушильного процесса: конвективная распылительная сушка; конвективно-радиационная распылительная сушка; конвективно-радиационная сушка во
взвешенном состоянии. Разработано критериальное уравнение рационализации процесса сушки кусковых продуктов во взвешенном состоянии при конвективно-радиационном энергоподводе.
Определены рациональные режимы конвективной распылительной сушки
плодоовощных пюре с начальной влажностью из тыквы 0,92 кг/кг, моркови
0,82 кг/кг, яблок 0,88 кг/кг и размером частиц 1 – 30 мкм и пектинового экстракта
с влажностью 0,9 кг/кг: исходная температура продукта 298..328 К; исходная
температура сушильного агента 423..523 К; начальный диаметр распыленных
частиц 20..30 мкм; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги
не менее 20 кг/кг; температура сухого порошка не более 333 К; температура отра
ботавшего агента на выходе из сушилки не более 343 К; конечная влажность по
рошка не более 0,05 кг/кг; удельная производительность по сухому порошку
0,678..1,335 кг/(м3ч) для тыквы, 1,965..3,784 кг/(м3ч) для моркови,
1,081..2,349 кг/(м3ч) для яблок, 0,631..1,261 кг/(м3ч) для пектинового экстракта.
При сочетании прямотока (2/3 потока) и перекрестного тока (1/3 потока) сушиль
ного агента достигается удельная производительность по сухому порошку
0,744..1,419 кг/(м3ч) для тыквы, 2,128..4,086 кг/(м3ч) для моркови,
1,135..2,523 кг/(м3ч) для яблок, 0,668..1,34 кг/(м3ч) для пектинового экстракта.
Определены рациональные режимы конвективной распылительной сушки экстракта корня алтея с начальной влажностью 0,9 кг/кг: исходная температура продукта 293..318 К; исходная температура сушильного агента 443..503 К; начальный диаметр распыленных частиц 20..30 мкм; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги не менее 20 кг/кг; температура сухого порошка не более 333 К; температура отработавшего агента на выходе из сушилки не более 343 К; конечная влажность порошка не более 0,05 кг/кг; удельная производительность по сухому порошку 1,041..1,692 кг/(м3ч).
Определены рациональные режимы конвективно-радиационной распыли
тельной сушки плодоовощных пюре с начальной влажностью из тыквы 0,92 кг/кг,
кабачка 0,93 кг/кг, баклажана 0,9 кг/кг и размером частиц 1 – 30 мкм: исходная
температура пюре 298 К; исходная температура сушильного агента 423..473 К;
плотность теплового потока 2,8..3,6 кВт/м2, начальный диаметр распыленных
частиц 20..30 мкм; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги
не менее 20 кг/кг; температура сухого порошка не более 333 К; температура отра
ботавшего агента на выходе из сушилки не более 343 К; конечная влажность по
рошка не более 0,05 кг/кг; удельная производительность по сухому порошку
0,722..1,140 кг/(м3ч) для тыквы, 0,611..1,053 кг/(м3ч) для кабачка,
0,934..1,354 кг/(м3ч) для баклажана.
Для практического применения, определения производительности и режимов работы сушильной техники разработаны программы для ЭВМ (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2012612781, 2015618524). Для практического применения, моделирования тепломассоперено-са при сушке разработаны программы для ЭВМ (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2013614161, 2012612984). Разработаны способы сушки ряда пищевых продуктов (патенты РФ № 2366192, 2374851, 2423863, 2423864, 2381805, 2309607), разработаны конструкторские решения для организации эффективной сушки и других процессов при производстве сухих дисперсных материалов (патенты на полезные модели РФ 86718, 126103, 150305, 84518,
154840, 141899, 90180; патент РФ № 2377485). Предложен алгоритм разработки комбинированных рациональных режимов распылительной сушки. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследования. Проведены апробация, тестирование и внедрение результатов на предприятиях отрасли. Проданы лицензии на четыре объекта интеллектуальной собственности (договоры о распоряжении исключительным правом №РД0104550 от 07.08.2012, РД0114415 от 04.12.2012, РД0176983 от 14.07.2015) на предприятиях ООО «РЕАЛИН» (патенты РФ № 2423863, 2423864), ООО НПП «пЕДАнт» (патент РФ № 2377485) и ООО «ПКФ «Мысль» (патент на полезную модель РФ № 150305).
Основные результаты и рекомендации внедрены на ЗАО «Астраханский пектин»; ООО «РЕАЛИН»; ООО «АСТРБИОПРОДУКТ»; ООО «АкваПрод»; ООО «КАСПРОФИТ»; ООО «ПКФ «Мысль»; ООО НПП «пЕДАнт»; ООО «АСТРАХАНСКАЯ КОНСЕРВНАЯ КОМПАНИЯ»; ООО «ЭЛЕКТРОН»; ООО НПП «Золотое зернышко»; ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого овощеводства и бахчеводства»; ОАО Институт «Прикладной биохимии и машиностроения «Биохиммаш».
Апробация результатов. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях: (Москва, 2006г, 2008г, 2011г., 2014г.); (Саратов, 2006г.); (Воронеж, 2006г.); (Махачкала, 2012г.); (Анапа, 2015г.); (Курск, 2015г.); Астрахань, 2008 - 2014гг.).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках: V – X Московские международные салоны инноваций и инвестиций (Москва, 2005-2010гг.); Международная специализированная выставка «Мир биотехнологии 2006» (Москва, 2006г.); Конкурс инновационных проектов в рамках Международного инновационного форума «Инно-Каспий» (Астрахань, 2009г.); Международный салон промышленной собственности «Архимед» (Москва, 2009г.); Специализированная выставка «Образование – Инвестиции в успех» (Астрахань, 2010г.); Национальный конкурс инновационных проектов «100 молодых инновационных лидеров России» (Москва, 2012г.); IV Международный форум по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY 2012» (Москва, 2012г.); Петербургская техническая ярмарка (Санкт-Петербург, 2013г.) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 2 учебных пособия, 17 статей в журналах рекомендованных ВАК РФ, 13 статей, 20 тезисов материалов конференций, получено 8 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, получено 14 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 352 страницах машинописного текста, содержит 75 таблиц, 167 рисунков, список литературы из 243 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлены на 150 страницах.
Анализ современных технологий переработки растительного сырья
Использование в большинстве случаев скоропортящихся и требующих создания специальных условий при транспортировке и хранении нативных влажных растительных продуктов в пищевых технологиях ограничено, так как это усложняет организацию производства и приводит к росту себестоимости товарной продукции при увеличении производственных рисков. Пищевые растительные продукты в процессе хранения претерпевают различные биохимические, микробиологические и ферментативные изменения, приводящие к порче. Эффективным средством подавления роста микроорганизмов и снижения ферментативной активности является обезвоживание продуктов.
Сырье растительного происхождения, как объект сушки, характеризуется значительным количеством воды при малом содержанием сухих веществ. Минимальное содержание влаги продукта, при котором в нем не развиваются бактерии – 25-30%, а плесневые грибы не развиваются при влажности – 10-15%. В производственной практике при высушивании влажность в зависимости от свойств сырья чаще всего доводят до 5 – 12%.
Химический состав сырья представлен белками, углеводами, липидами и др. В незначительных количествах содержатся биологически активные вещества, которые определяют биологическую ценность сырья и органолептические показатели: витамины, органические кислоты, полифенолы, минеральные вещества. Компоненты растительного сырья наиболее подвержены неблагоприятным изменениям и термическому разложению при воздействии температур выше 50 – 60С, в частности, при сушке, что в итоге снижает качество готового продукта.
Нативное растительное сырье имеет клеточную капиллярно-пористую структуру. Органы растений состоят из клеток, которые относят к эукариотам, то есть клетки растений обладают оформленным клеточным ядром, ограниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Различают три вида растительной ткани: запасающую, покровную и механическую. Сочные плоды растений сформированы преимущественно запасающими тканями, состоящими в основном из паренхимных клеток, которые имеют округлую или многогранную форму. В клетках запасающих тканей накапливаются вода и избыточные в данный период развития растения продукты обмена веществ: углеводы, белки, жиры и др. Каждый из органоидов клетки имеет свою структуру и ультраструктуру и выполняет особую функцию. В совокупности все органоиды определяют жизнедеятельность растительной клетки в целом.
По химическому составу все вещества растительного сырья делят на две группы: неорганические и органические. Гидрофобные вещества в клетке находятся в виде эмульсий и коллоидных растворов, а гидрофильные – в виде водных растворов. Вода в клетке является средой, в которой протекают все реакции.
Растительное сырье представляет собой сложнейший структурный объект обезвоживания. Наибольшую часть сухих веществ в продуктах растительного происхождения составляют углеводы, которые в значительной степени определяют скорость и характер тепломассообмена при сушке, а также обусловливают вкусовые качества и консистенцию. Углеводы представлены полисахаридами (крахмал, инулин, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), моносахаридами (глюкоза, фруктоза, арабиноза, ксилоза), дисахаридами (сахароза, трегалоза). Целлюлоза, гемицеллюлоза нерастворимы в воде и образуют каркас растительных клеток. Пектиновые вещества обладают способностью связывать влагу, что увеличивает затраты на сушку. Белки при сушке подвержены денатурации. Полифенольные вещества имеют высокую биологическую активность и участвуют в формировании цвета, запаха и вкуса. Органические кислоты растворяются в воде и в ходе переработки (мойка, нарезка, дробление и др.) наблюдаются значительные их потери еще до стадии сушки. Витамины термолабильны. Минеральные вещества устойчивы к термовоздействию и при сушке сохраняются. Химический состав растительного сырья подвержен колебаниям и меняется в зависимости от вида сырья, сорта, места и технологии выращивания, времени уборки, погоды, и т.д., что особенно актуально учитывать при переработке плодоовощной продукции. Таким образом, промышленная и экономически оправданная сушка растительного сырья без потери качества является трудной, но интересной научно-производственной задачей. В плодоовощном сушильном производстве основными видами сырья являются: картофель, свекла, морковь, белые коренья, цикории, чеснок, лук, капуста белокочанная, зелень (укроп, петрушка, сельдерей), груши, яблоки, айва, сливы, персики, вишни, абрикосы, виноград, черная смородина, черника, малина, и др. Значительное внимание уделяется производству сухих соков, специй, приправ, а также выпуску сухих экстрактов из трав, плодов, ягод, специй, частей деревьев и кустов и др.
В ходе выполнения диссертационной работы в качестве объектов обезвоживания/переработки рассматривались: морковь (сорт «Витаминная»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); кабачок (сорт «Ролик»); яблоко (сорт «Антоновка»); томат (сорт «Астраханский»); дыня (сорт «Колхозница»); пектиновый экстракт из арбуза кормового; пектиновые экстракты из тыквы (сорт «Волжская серая 92»), из цитрусовых лимонных выжимок, из кабачка (сорт «Белый»); водный экстракт Алтея; водный экстракт Имбиря; осветленные соки из моркови (сорт «Витаминная»), из тыквы (сорт «Волжская серая 92»), из яблок (сорт «Антоновка»). В качестве экспериментальных образцов были использованы: 1) Нативные/свежие и сухие измельченные плодоовощные продукты. 2) Плодоовощные пюре со средним характерным размером частиц 100мкм (при приготовлении использовались стадии дробления и протирки). Порошки, полученные конвективной сушкой пюре. 3) Плодоовощные пюре со средним характерным размером частиц 1 – 30 мкм (при приготовлении использовались стадии дробления, протирки, разваривания и гомогенизации). Порошки, полученные конвективной распылительной сушкой пюре.
Анализ гигроскопических характеристик и механизма взаимодействия с водой продуктов из растительного сырья
Для исследования механизма внутреннего тепломассопереноса, структурных и качественных изменений при обезвоживании продуктов растительного происхождения с целью совершенствования процессов переработки растительного сырья, целесообразно проанализировать внутреннее строение и физиологию объектов сушки на клеточном и молекулярном уровне.
Общеизвестно, что органы растений состоят из клеток, которые относят к эукариотам, то есть клетки растений обладают оформленным клеточным ядром, ограниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Различают три вида растительной ткани: запасающую, покровную и механическую. Сочные плоды растений сформированы преимущественно запасающими тканями, состоящими из паренхимных клеток. В клетках запасающих тканей накапливаются вода и избыточные продукты обмена: углеводы, белки, жиры и др.
В растительной клетке следует различать клеточную оболочку и содержимое – протопласт. Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды, клеточные включения и генетический материал. Внутреннее пространство растительной клетки строго упорядочено. Жидкую составляющую цитоплазмы (гиалоплазма), в которой протекают многие важнейшие биохимические процессы и локализованы многочисленные белковые вещества, жиры, углеводы, минеральные соли и другие вещества, также называют цитозолем. Во взаимодействии с цитозолем и через него осуществляются внутриклеточные транспортные процессы и связь между отдельными органоидами клетки. К постоянным структурам растительных клеток, которые осуществляют определенные жизненно необходимые функции, относят [228]: рибосомы; митохондрии; аппарат Гольджи; клеточное ядро; пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты). Каждый из органоидов клетки имеет свою структуру и ультраструктуру и выполняет особую функцию. В совокупности все органоиды определяют жизнедеятельность растительной клетки в целом [228].
Под ультраструктурой понимается расположение в пространстве отдельных молекул, составляющих данный органоид. В создании надмолекулярных структур отдельных органоидов клетки большое значение имеют водородные, вандерваальсовы (т.е. силы межмолекулярного взаимодействия с энергией 0,8 – 8,16 кДж/моль) и ионные связи. Энергия образования водородных связей незначительно превышает кинетическую энергию теплового движения молекул, что объясняет легкость их постоянного возникновения и разрушения в результате тепловых флуктуаций. Наряду с химическими связями большое значение при формировании ультраструктур имеют гидрофобные взаимодействия, которые обусловлены тем, что гидрофобные молекулы или части молекул, находящиеся в водной среде, кластеризуются с образованием мицелл и располагаются так, чтобы минимизировать контакт с водой. При этом с другой стороны, молекулы воды специфически ориентируются относительно друг друга и как бы выталкивают неполярные группы, сближая их [228]. То есть неполярные гидрофобные вещества (например, липиды) не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур. Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к уменьшению упорядоченности (энтропии), поэтому для поддержания сложной структуры цитоплазмы, то есть упорядоченного расположения молекул необходима энергия извне [228]. Клеточная оболочка растительной клетки определяет ее форму, придает механическую прочность и защищает цитоплазматическую мембрану от разрушения под действием гидростатического давления внутри клетки. Клеточная оболочка эластична, обладает растяжимостью и способностью к росту [228]. В состав клеточной оболочки входят целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, липиды и белок. Компоненты клеточной оболочки являются продуктами жизнедеятельности клетки. Они выделяются из цитоплазмы и претерпевают превращения на поверхности плазмалеммы [228]. Пектиновые вещества, являясь соединениями углеводного типа, обусловливают высокую оводненность клеточной оболочки и содержат большое количество карбоксильных групп, что обусловливает способность эффективно связывать ионы двухвалентных металлов и играет определяющую роль в объединении компонентов клеточной стенки [228].
В клетках растений присутствует вакуоль, часто имеется одна большая центральная вакуоль, занимающая почти всю клетку. От вакуоли растительной клетки протопласт отграничен мембраной c избирательной проницаемостью, называемой тонопластом. Центральные вакуоли определяют специфику растительных клеток и не встречаются у организмов, не относящихся к растениям. Центральные вакуоли активно участвуют во внутриклеточном накоплении и распределении веществ, что находит отражение во многих их функциях [15]. Одна из функций вакуоли – накопление воды – клеточного сока, позволяющего клетке быстро увеличиваться в размерах. Эта способность необходима в период раста тканей и образания волокнистых структур [228]. Вакуоль поддерживает напряженное состояние оболочек клеток – тургор, который обусловливается тремя факторами: внутренним осмотическим давлением клетки, внешним осмотическим давлением, а также упругостью клеточной оболочки [228]. Тургор является показателем состояния водного режима живых организмов. Снижением тургора сопровождаются процессы автолиза (распада), увядания и старения клеток. Тургор растительных клеток существенно выше животных и обычно внутреннее давление составляет от 5 до 10 атмосфер. По этой причине, живые ткани обладают упругостью и существенной прочностью [228].
Эффективность использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания
Изотерма сорбции водяного пара экстрактом алтея при T = 293 К Механизм взаимодействия экстрактов с водой аналогичен рассмотренному ранее (пункт 2.3). Изотермы сорбции экстрактов имеют S-образный характер, можно выделить три участка, характеризующих влагу мономолекулярной адсорбции, влагу полимолекулярной адсорбции и жидкость в объеме микро- и макрокапилляров, пор и др. Установлены гигроскопические характеристики, которые позволяют определить общее количество влаги, удаляемой при сушке и классифицировать эту влагу в продукте в увязке с процессом ее удаления.
В таблице 2.20 приведены значения гигроскопической влажности Wg1, кг/кг при Т = 293 К и Wg2, кг/кг при Т = 333 К для исследуемых продуктов. По изотермам сорбции, согласно методике предложенной Г.К. Филоненко [28] для экстрактов установлены WK = 0,05 кг/кг (таблица 2.20), что соответствует требованиям, предъявляемым к сухим экстрактам. Установлено, при р 0,7..0,8 наблюдается перегиб изотермы в соответствующей точке при We, кг/кг. Равновесная влажность We, кг/кг характеризует границу между влагой, удерживаемой в продукте за счет сил адсорбции и жидкостью заключенной в объеме микро- и макрокапилляров, пор, а также иммобилизационной и осмотической влаги. В таблице 2.20 приведены значения влажности We1, кг/кг при Т = 293 К и We2, кг/кг при Т = 333 К.
Для математического описания процесса сорбции паров влаги экстрактами была использована ранее предложенная зависимость (2.23), на основе экспериментальных данных были получены значения эмпирических коэффициентов (таблица 2.21). Достоверность аппроксимации – R20,99. Результаты исследований показывают, что сухие растительные экстракты обладают высокой степенью гигроскопичности. Следовательно, целесообразно дальнейшие технологические стадии по переработке, фасовке и упаковке выполнять оперативно с учетом относительной влажности воздуха рабочих зон. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха.
Терморадиационные и оптические характеристики плодоовощных концентратов Базой для проектирования сушильных установок с инфракрасным энергоподводом и обоснованного выбора ИК-генератора являются данные по оптическим и терморадиационным характеристикам (ТРХ) объекта сушки. Для дальнейшего анализа и разработки режимов конвективно радиационной распылительной сушки плодоовощных пюре приняты результаты исследований [4, 9, 190, 192], полученные в спектрофотометрической лаборатории МГУПП. Исследованы спектральные отражательные R, пропускательные T способности тыквы с различными: структурой, содержанием влаги и условиями облучения [4, 9, 190, 192].
Направленно-полусферические R, T в области спектра длин волн 0,4..1,4 мкм получены методом интегрирующей сферы [4, 9, 190, 192]. Направленно-полусферические R, T в области спектра длин волн 1,4..5 мкм приняты из литературных источников [46].
Двуполусферические ТРХ и оптические свойства тыквы определялись экспериментально-аналитическим методом, предложенным в работе Ильясова С.Г. и Красникова В.В. [46], позволяющим рассчитывать полусферические ТРХ и оптические характеристики (ОХ) по известным направленно-полусферическим ТРХ для 2-х различных оптически тонких слоев с толщинами (l1 и l2). Для исследований использовались специальные кюветы с варьируемой фиксированной толщиной наносимого слоя l. Терминология и обозначения различных величин, а также суть экспериментально-аналитического метода взяты из [46]. Согласно классификации пищевых продуктов по оптическим свойствам [46], измельченная тыква ближе всего подходит к группе материалов, оптические свойства которых зависят от влагосодержания и формы связи влаги с материалом, плотности и микроструктуры среды. Рекомендуемыми для материалов этой группы при оптически тонких слоях являются излучатели с кварцевыми трубками типа КГТ, КГ или КИ-220-1000, имеющих высокую энергетическую освещенность объектов облучения, большой срок службы при стабильности лучистого потока, очень малую термическую инерцию, простоту устройства цоколей и выгодную линейную форму, отсутствие необходимости специального охлаждения цоколей, высокий КПД и механическую прочность, стойкость по отношению к воздействию воды, агрессивных сред и т.д.
Для полной оценки эффективности ИК-генератора рассчитывалось распределение по толщине слоя х объемной плотности поглощенной энергии излучения w(x), (кВт/м3). толщина слоя; L - коэффициент эффективного ослабления, 1/м; Д» спектральная отражательная способность оптически полубесконечного слоя. Учитывая плотность максимально допустимого интегрального падающего потока излучения (для тыквы Еп 3,6 кВт/м2), можно определить величину объемной плотности поглощенной энергии w(x), (кВт/м3) для интегрального потока в случае облучения полубесконечного слоя [46].
Анализ механизма внутреннего массопереноса при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии
Полученные функциональные зависимости (4.30) - (4.34) целесообразно использовать для расчета оптимальных параметров и времени процесса сушки и моделирования тепломассообменных процессов при проектировании сушильной техники для обезвоживания сырья растительного происхождения. Дальнейшее развитие получает продолжение экспериментальных исследований и обобщение результатов с целью определения кинетических коэффициентов и их функциональных зависимостей от влияющих на скорость сушки факторов для растительного сырья. На рисунках 4.42 - 4.44, в качестве примера, представлены кривые скорости сушки для исследуемых продуктов.
Анализ результатов экспериментально-аналитических исследований ряда авторов [9, 190, 214] и собственных экспериментов по изучению кинетики сушки плодоовощных продуктов показал, что после прогрева поверхности дисперсного материала в первый период процесса скорость сушки не всегда постоянна и наблюдаются ее колебания (рисунки 4.42 – 4.44). В основополагающих работах по теории сушки [30, 62] доказано, что в начальной стадии сушки, в том числе, продуктов растительного происхождения, температура поверхности материала стремительно возрастает до температуры мокрого термометра и далее остается постоянной в течение всего первого периода процесса. Для первого периода характерно не только постоянство температуры поверхности высушиваемого материала, но также постоянство скорости процесса обезвоживания [30] В этот период совершается наиболее интенсивная влагоотдача, все сообщаемое материалу тепло расходуется только на испарение влаги и температура поверхности продукта равна температуре испаряющейся жидкости [30, 62].
Для плодоовощных продуктов, не подвергнутых предварительному механическому разрушению растительной клетчатки, характерно значительное количество свободной и осмотически поглощенной влаги, а также наличие упорядоченной и эластичной капиллярно-пористой клеточной структуры растительной ткани. Для комплексного анализа механизма внутреннего тепломассопереноса проведено визуальное наблюдение за протекающими процессами при конвективно-радиационной сушке растительного сырья в режиме реального времени с помощью программного обеспечения Altami Studio и микроскопа Altami БИ О2 (объектив 10x/0,25 – увеличение 10 крат, числовая апертура объектива 0,25), оснащенного цифровой, окулярной USB видеокамерой Altami USB 5000R5 1/2.5CMOS. Система освещения биологического микроскопа Altami БИ О2 спроектирована по схеме Кллера с галогенной лампой 6В/20Вт яркость освещения которой плавно регулируется.
В ходе экспериментов срезы исследуемых образцов (лук (сорт «Халцедон»), тыква (сорт «Волжская серая 92»), морковь (сорт «Витаминная»), свекла и др.) закреплялись на предметном стекле микроскопа над галогеновой лампой и далее осуществляли направленную подачу нагретого воздуха для сушки материала с помощью электрического тепловентилятора при постоянном расходе и температуре (Тс.а. = 333К), таким образом достигалась комбинация конвективного и радиационного способов энергоподвода. В процессе сушки с использованием фотокамеры микроскопа осуществлялась съемка с посекундной частотой получения кадров высокого разрешения (до 2048х1536 пикселей).
Сопоставление фотокадров и результатов исследования статики и кинетики сушки, позволяет экспериментально подтвердить ряд положений теории сушки, проанализировать и дать комплексную оценку тепломассообмену и внутреннему тепломассопереносу при сушке растительного сырья. Для характеристики внутреннего массопереноса за счет явлений осмоса, целесообразно использовать водный потенциал клетки, как термодинамический показатель энергетического уровня молекул воды, то есть их способности диффундировать или испаряться. По законам термодинамики при внутриклеточном влагопереносе вода всегда движется из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким потенциалом. Водный потенциал (в) клетки зависит от концентрации осмотически действующих веществ – осмотического потенциала (осм) и от потенциала противодавления (тургорного давления) клеточной оболочки (давл).
Разница между осмотическим потенциалом клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет поступление воды в каждый момент. До начала процесса обезвоживания осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной оболочки и водный потенциал равен нулю, вода в клетку не поступает.
В процессе обезвоживания в периоде постоянной скорости сушки [30] одновременно с процессами массообмена на границе материал – сушильный агент протекают процессы внутреннего массопереноса в объеме материала. Для первого периода сушки растительного сырья характерно удаление в большей степени свободной и осмотически связанной влаги [30, 62]. При сушке сразу после прогрева поверхности материала до температуры мокрого термометра (рисунки 4.45, 4.46) наблюдается расширение (растяжение) эластичных оболочек верхнего клеточного слоя ввиду более интенсивного теплового движения молекул жидкости и возрастающего внутриклеточного давления. Далее влага начинает испаряться из поверхностных слоев (рисунок 4.47) и в виде пара переходит в сушильный агент через полупроницаемые клеточные оболочки, при этом наблюдается частичное сжатие оболочек (рисунок 4.48) и уменьшение размера вакуолей а, следовательно, происходит сгущение клеточного сока и возрастает осмотический потенциал клеток поверхностного слоя. После влагоотдачи, клеточные оболочки не испытывают давление (рисунок 4.48) и тургоровое противодавление равно нулю, значит водный потенциал при этом равен осмотическому: в = осм. Таким образом, одновременно с процессами испарения поверхностный слой клеток начинает поглощать воду соседних нижележащих клеток по законам осмоса (рисунок 4.49). В свою очередь, нижележащий слой клеток также начинает осмотически поглощать воду из клеток расположенных ниже. Поле влажности материала становится неоднородным и в результате того, что в объеме продукта влажность выше, чем на поверхности, термодинамическая система, состоящая из сообщающихся с помощью полупроницаемых мембран клеток (рисунок 4.49) с различной концентрацией веществ, стремясь к термодинамическому равновесию, обеспечивает непрерывную доставку воды за счет диффузии до границы испарения. При трансфере жидкой влаги в объеме продукта клеточные оболочки испытывают сжатие и растяжение. Пектоцеллюлозная клеточная оболочка проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Тонопласт и плазмалемма выполняют в данной осмотической системе функции полупроницаемых мембран, т.к. эти структуры избирательно проницаемы, и вода проходит через них значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме. Следует отметить, что при интенсивном проведении процесса сушки и высоких температурах сушильного агента, а, следовательно, при значительных градиентах температуры, давления и влажности в объеме не наблюдается разрушение клеточных оболочек благодаря их противодавлению, которое может достигать 10атм и более [228].
Анализ результатов экспериментально-аналитических исследований ряда авторов [9, 190, 192, 214] и собственных экспериментов по изучению кинетики сушки плодоовощных продуктов показал, что после прогрева поверхности материала в первый период процесса скорость сушки не всегда постоянна и наблюдаются ее колебания. Непостоянство скорости обусловлено двумя причинами. Во-первых, при возрастающем дефиците влаги в поверхностных слоях клеток и стремлению системы к термодинамическому равновесию возникает массооперенос за счет осмоса из более глубинных слоев, а, следовательно, поток влаги вынужден преодолевать большее гидравлическое сопротивление материала, что снижает скорость продвижения влаги. Во-вторых, при обезвоживании происходит постепенное сгущение цитоплазмы, и уплотняющаяся цитоплазма все больше во времени процесса препятствует проходу менее энергетически связанной влаги из вакуолей. Тем не менее, в первый период сушки интенсивность переноса влаги из внутренних слоев продукта достаточна для того, чтобы поверхность материала была смочена влагой и ее влажность оставалась больше гигроскопической.
При дальнейшем развитии процесса обезвоживания градиент концентрации влаги в материале уменьшается, а, следовательно, убавляется и количество влаги, поступающей к поверхности, что приводит к снижению влажности поверхности до гигроскопического значения. Возрастающее несоответствие между расходом влаги, испаряющейся с поверхности продукта, и расходом жидкости, поступающей из внутренних слоев, приводит к углублению зоны испарения вглубь продукта [30, 62].
После сингулярной точки перехода ко второму периоду процесса сушки, скорость влагоотдачи, а также интенсивность испарения уменьшаются при возрастании температуры продукта, а влажность на поверхности становится равной гигроскопической. При достижении равновесной влажности скорость сушки материала равна нулю, а его температура достигает значения температуры сушильного агента.