Введение к работе
Актуальность темы исследования. Быстрый и практически неуправляемый рост потребления синтетических полимеров в упаковке пищевой продукции приводит к ежегодному увеличению биологически не разлагаемых отходов. В связи с этим все актуальней ставятся вопросы, связанные с разработкой и изготовлением упаковочных материалов, отвечающих современным требованиям в разнообразных сегментах пищевой промышленности, решение которых позволит снизить негативное давление на окружающую среду.
Правительством РФ одной из приоритетных целей в соответствии со «Стратегией развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года» является разработка и организация производства новых упаковочных материалов с антимикробными добавками, которые продлевают срок годности продукции, в том числе биоразлагаемой упаковки. Одним из приемлемых способов решения этих важных вопросов является широкое применение, как в промышленных, так и в бытовых условиях, съедобных биодеградируемых материалов на альгинатной основе для упаковки пищевой продукции и переработки возобновляемых сырьевых источников.
Таким образом, задача усовершенствования способов удаления влаги и аппаратов для их реализации в технологии биодеградируемой упаковочной плёнки для обеспечения, в частности, ее экологической безопасности и, как следствие, снижения негативного влияния на окружающую среду, актуальна.
Степень ее разработанности. Значительный вклад в развитие технологии получения биоразлагаемой упаковки внесли российские и зарубежные исследователи: А.В. Аксёнов, К. Бастиоли, Е.П. Гончарова, М.В. Короткий, Л.С. Пин-чук, Д. Дель Тредичи, О.Б. Федотова, О.А. Легонькова, В.Д. Харитонов, R. K. Sadi, M.I.Artsisa, P. Peng и многие другие. Вопросу исследования процессов сушки полимерных материалов посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных учёных, таких как: А.С. Гинзбург, С.Г. Ильясов, А.В. Лыков, Б.М. Ляховицкий, И.Ю. Алексанян, Б.С. Сажин, В.И. Коновалов, а так же H.Umesh Hebbar, M.N. Ramesh, K.H. Vishwanathan и др.
Большинство исследований в ракурсе пищевых упаковочных материалов связано с разработкой и внедрением способов по повышению качества и интенсификации процессов сушки полимерных гелей, не предназначенных для употребления в пищу в составе пищевых продуктов и разработки их композиций. Поэтому вопросы разработки и внедрения рациональной промышленной технологии съедобных упаковочных плёнок и её аппаратурного оформления недостаточно проработаны и требуют дальнейшего изучения.
Целью работы является совершенствование процесса сушки полимерного геля на основе альгината натрия для изготовления съедобной упаковочной плёнки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ перспективных направлений по обезвоживанию съедобных и биоразлагаемых полимерных гелей в технологии упаковки пищевой
продукции и полуфабрикатов на основе их физико-химических свойств и конструкторских решений по реализации процесса сушки.
-
Теоретически и экспериментально исследовать особенности структурно-механических, теплофизических, гигроскопических характеристик пищевого полимерного геля для изготовления съедобных упаковочных плёнок. Проанализировать термодинамические закономерности статического взаимодействия исследуемого геля и воды.
-
Изучить кинетические закономерности протекания процесса сушки полимерного геля при радиационном энергоподводе.
-
Определить и обосновать рациональные режимные параметры процесса сушки на основе расчетных зависимостей кинетики влагоудаления и влияющих факторов.
-
Разработать на основе полученных положений математическую модель эволюции полей температур по слою пленки и изменению концентраций с учетом ее усадки, в процессе инфракрасной сушки пищевого полимерного геля.
-
Разработать конструкцию сушильного аппарата для реализации разработанного режима и способа инфракрасной сушки.
Научная новизна.
Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения инфракрасной сушки для съедобного полимерного материала в разработанной конструкции сушильного аппарата. Установлены структурно-механические, теплофизические, а также гигроскопические характеристики пищевого полимерного плёночного материала. Изучены кинетические закономерности процесса инфракрасной сушки исследуемого материала и обоснованы её рациональные параметры. Выявлен механизм внутреннего распределения температуры при изменении влагосодержания для исследуемого материала при инфракрасной сушке. Разработана и решена численным методам математическая модель определения эволюции полей температур в толще исследуемого материала и изменению концентрации влаги, необходимых при расчёте режимных параметров ведения процесса инфракрасной сушки.
Теоретическая и практическая значимость исследования.
Теоретическая значимость диссертационной работы обусловлена проведением комплексного анализа тепломассообменных процессов при осуществлении инфракрасной сушки пищевого полимерного геля для изготовления съедобных упаковочных пленок.
Доказана возможность использования современных съедобных пленок на основе альгината натрия для упаковки замороженных мясных и рыбных полуфабрикатов и кулинарной продукции, определена рецептура пищевого полимерного геля.
Разработан рациональный способ и предложена установка для реализации инфракрасной сушки исследуемого материала. Разработаны рекомендации по рациональному расположению инфракрасных излучателей и исходной толщине слоя объекта сушки, при которых съем сухого продукта с единицы площади максимален.
Новизна технических решений подтверждена патентами на конструкцию
конвективно-инфракрасной установки для ИК-сушки (Патент на полезную модель 173354 РФ), рецептуру и способ изготовления пищевого полимерного геля для создания съедобного пленочного материала на основе альгината натрия (Патент на изобретение 2525926 РФ). Разработаны и утверждены технические условия (ТУ 9216-001-10386667-2016 «Упаковочный пищевой съедобный пленочный материал на основе альгината натрия»).
Основные результаты и рекомендации внедрены и используются на предприятиях ООО «ИнТехПрод», ООО «БиоПолимер», а также на предприятиях-партнерах Астраханской Ассоциации рестораторов и кулинаров.
Сделанные и полученные в работе научные выводы и рекомендации по реализации результатов теоретических и практических исследований целесообразно принять к использованию при организации опытно-конструкторских работ на предприятиях пищевой индустрии и в учебном процессе в отраслевых вузах.
Методология и методы исследования. Основой практически всех исследований в работе является методология, разработанная проф. Алексаняном И.Ю, а также методы исследования, описанные в работах по теории сушки А.С. Гинзбурга, С.Г. Ильясова и А.В. Лыкова. Используя данные методические указания, изучалась кинетика процесса инфракрасной сушки альгинатного раствора, а также его термодинамический анализ, построенный на полученных в ходе проведения множества экспериментов и данных, необходимых для повышения скорости процессов переноса тепловой энергии и вещества, численного расчета эволюции распределения температур в объектах обработки в процессе удаления влаги.
Систематизация результатов теоретических и эмпирических исследований и использование их при решении математической модели процесса инфракрасной сушки осуществлялись с использованием современных программных продуктов, приборной базы и разработанного опытного оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментально-теоретических исследований процессов
влагоудаления из полимерного геля для промышленного получения съедобных
упаковочных материалов, функциональные зависимости комплекса характери
стик и свойств биополимерного материала от влагосодержания и температуры в
рамках технологических ограничений.
- результаты термодинамического анализа статических закономерностей
процесса инфракрасной сушки, экспериментальных исследований кинетики
обезвоживания, а также механизм внутреннего массопереноса в процессе ин
фракрасной сушки съедобного пленочного материала.
- полученные математические зависимости скорости влагоудаления и
удельной производительности сушильных агрегатов от высоты слоя материала,
температуры объекта сушки и сушильного агента, а также плотности теплового
потока на поверхности высушиваемого образца.
режимные параметры для рационального осуществления инфракрасной сушки биополимерного геля.
математическая модель тепломассопереноса в процессе инфракрасной
сушки съедобного пленочного материала.
- конструктивные особенности сушильной установки для обезвоживания полимерного пищевого геля.
Степень достоверности подтверждена получением новых и оригинальных научно-технических выводов, имеющих ясную физическую трактовку, которые не противоречат широко известным результатам научных и конструкторских разработок и согласуются с опытом их промышленного внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования обсуждались на научных и выставочных мероприятиях различного уровня, в частности: Региональной научно-практической конференции «Исследования молодых ученых – вклад в инновационное развитие России» (Астрахань, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в XXI веке: проблемы и перспективы развития» (Ростов на Дону, 2018 г.); IV Международном форуме по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY 2012» (Москва, 2012 г.); Национальных этапах международного студенческого конкурса «Лучший студенческий инновационный продукт питания Ecotrophelia Europe» (Саратов, 2011, 2012, 2013 гг.); Петербургской технической ярмаркой (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано10 научных работ по материалам диссертации, в их числе 3 работы, входящих в перечень ВАК РФ, а также получен 1 патент на полезную модель РФ и 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 49 иллюстраций, 201 литературный источник, включая 62 иностранных. Приложения к диссертации представлены на 73 стр.