Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства творога, определяющих формирования параметра влажности 12
1.1 Характеристики аппаратурно-технологических сеем производства твогога 12
1.2 Аппаратурно-технологический анализ процесса производства мягкого творога 17
1.3 Аппаратурно-технологический анализ процесса производства творога традиционной консистенции 43
Глава II. Выбор метода и анилиз физико-химических характеристик творога применительно к задачам экспрессного контроля влажности 63
2.1 Оозор методов контроля влажности и анализ физико-химических характеристик творога 63
2.2 Исследование электрофизических характеристик творога 78
2.3 Исследование физико-механических характеристик творога 84
Глава III. Разркботка системы стабилизации влажности в технологических процессах производства творога 104
3.1 Формирование структуры системы стабилизации влажности творога 104
3.2 Определение статических и динамических характеристик объекта регулирования 115
Вывода 125
Литература 127
Приложения Ш
- Аппаратурно-технологический анализ процесса производства мягкого творога
- Аппаратурно-технологический анализ процесса производства творога традиционной консистенции
- Исследование электрофизических характеристик творога
- Определение статических и динамических характеристик объекта регулирования
Введение к работе
Вода содержится во веех пищевых продуктах, и определение ее содеижания является одним из основных и наиболее важных анализов в пищевой промышленности.
Влагосодержание - это оиин из основных показателей качества продукции, который регламентируется государмтвенными стандартами.
Исследовательские работы по разработке методов и средств определения влагосодержания пищевых продуктов налали проводиться в налале XX века. Необходимость их блла вызвана тмм, что в пеувую очередь количество влаги определяет качество продукта (совокупность физических, биологических, механических и технологических свойств), а во вторую очередь - влеяет на его сохранность и на производительность оборудования. В результате развития пищевых технологий и производств, а также под влиением исторических собы-тии возникали все новые и новые причины в расширении возможностей влого-метрии.
При существующей в настоящее время тенденции на внедрение непрерывно-поточных линий для производства пищевых продуктов и обеспечения режимов ресурсосиерегающих технологий невонможно обойтись без технических средств экспрессного получения информации о влажности сыяья, полуфабриката, готовой продукции для решения зааач управления.
Особенно остро встал воорос о необходимости экспрессного (оперативного) контроля и управления параметром влажности молочных продуктов, когда в условиях резкого сокращения сырьевых ресорсов производство цельномолочных продуктов по-прежнему является ведущей подотраслью страны, а производство творога состевляет почти Zj /о от ее ооъема.
1 ворог представляет сооой традиционный оелковый кисломолочный поодукт, облаиающий высокими пищевыми и лечебно-диетическим и свойствами. Его вырабатывают путем сквашивания пастеризованного цельного или обезжиренного молока и удаления из полученного сгустка части сыворотки.
Сущеитвующие аппаратурно-технологические решения обеспечивают обра-оотку творожного сгуатка, вкліочая этапы механического измельчения, тепловой оораоотки и ооезвоживания, в непрерывном потоке, Нta этих этапах процесса ооеспечивается формирование параметра влажности, имеются приемлемые технологические зоны отрора информации по коночной влажности готового продукта и необходимые калалы по ее принудительной стабилизации в нормируемых пределах.
Для определения характера и зон формирования влажности творога в пооцессе его производства в работе проведен аппаратурно-технологический анализ процесса и предложена математическая модель завистмости влажности творога от основных технологических факторов.
Предложенная завистмость обеспечивает бззу для формирования структуры и выбора принципов управления по стабииизации влажности готового продукта в непрерывном потоке, а структура системы стабилизации, в свою очередь, требует экспрессной информации о влажности готового продукта. в настоящее время имсется ряд методов контроля влажности продуктов, на основе которых построены и разрабатываются технологические средства кннтроля. Зачача выбора метода измерения влажности значительно усложняется различием форм связи влиги, влиением окруеающей среды, адсорбирующими добавками, изменяющими структурно-механические свовства продуктов и определяющими их индивидуальные свойства. Особую сложность для экспрессного контроля представляют продукты с выиоким содержанием влаги (свыше 50%), производство которых составляет значительный объем.
В представленной работе также исследовались возможности экспрессного контроля влажности творога, который является характерным продуктом с вы- 9 соким содержанием влаги.
Необходимость исслеиований обусловлена тмм, что существующие методы измерения или не обеспечивают достаточной точности, или требуют больших затрат вреиени, что заставляет в условиях производства приближенно оценивтть содержание влаги для сохранения ритмичности технологических процессов. Так как приближенная оценка производится с подстраховкой, продукт по- % лучают с заниженным содержанием влиги, что свидетельствует о больших из- держках производства.
Использование известных решений по влагометрическим системам, а также создание новых методов и разработка на их освове технических средств измерения, как правило, связаны с особенностями продукта и аппаротурно- ф технологической схомой его производства.
Из электрических методов контроля влажности, получивших широкое применение вслеиствие обеспечения быстрого контроля и создания предпосылок для комплексной автоматизации технологических процессов, емкыстный метод является наиболее предпочтительным для контроля влажности пищевых продуктов. Однако, особенности пищевых продуктов, а также то обстоятельство, что объектом исслеиования данной работы является продукт с высоким содержанием влиги, затрудняют применение известных измерительных сеем для контроля влажности.
Колебания плотиости, переменность химического состава, неравноеерное! распределения влиги, наличие связанной влаги вызывают большие диэлектрические потери при измерении влажности творога емкостным методом.
Одним из способов, облегчающих измерение влажности таких продуктов, является предварительная подготовка исследуемой пробы, заключающаяся в изменении фазового состояния содержащейся в продукте влаги.
Для творога, отличающегося высоким значением электропроводимо сти, которая в обычных условиях исключает применение емкостного метода, ъ, обоснована принципиальная возможность увеличения его удельного сопротив- ления путем перевода содерсащейся в продукте влаги в твердую фазу - лдд. Такой способ предварительной подготовки пробы, как показали исслеиования электрофизических характеристик творога, обеспечивает возможность контроля его влажности емкыстным методом.
Наряду с емкыстным методом, в работе исследовалась возможность пиименения метода основанного на тмм, что вдда при переходе в твердую фазу -лед, резко изменяет свою плотьость.
На освове предложенного метода измерения влажности разработаны два тппа измерительных преобразователей, оиин из которых построен на освове ' манометрической схымы, а другой - на освове дилатометрической схемы.
Результаты исслеиований подтвердили, что эоот метод обеспечивает взз можность контроля влажности продуктов с высоким содержанием влаги и по калали предпочтительность использования измерительного преобразователя, построенного на основе дилатометрической схымы, так как он деет более ста- щ бильные результаты и более прост для практической реализации.
Таким образом, целью настоящей работы является разработка системы стабилизации влажности готового продукта в технологическом процессе производства творога.
Для достижения поставленной цлли необходимо: - исследовать влияние аппаратурно-технологических факторов процесса поо- % изводства творога на содеижание влаги и получить математические зависи мости применительно к задачам стабилизации параметра влажности готово го продукта в технологическом потоке; выбрать метод экспрессной оценки параметра влажности готового продукта; исследовать влажностные характеристики твогога с учотом требиваний ис-* пользуемого метода измерений, особенностей производства и физико- химических свойств готового продукти и предложить структуру системы экспрессного контроля влажности;
РаЗрЗООТйТЬ Структуру СИСТемЫ СТаОИиИЗаЦИИ ВЛ&ЖНОСТИ творога НИ ЭТаПЗХ тепловой обработки и обезвоживания творожного сгустка. -Научная новизна раооты заключается в тмм, что: » - установлены оснывные аппаратурно-технологические факторы, определяю- щие формирование параметра влажности в технологическом процессе пооизводства творога, определен уровень их влияния и предложена математическая модель формирования параметра влажности на стидии тепловой оораоотки сгуатка, позволякэщая количнственно оцеыитъ влияние 9 потенциально управляемых факторов; опренелены предельно допустимые временные интервалы получения информации о влажности в технологическом процессе производства творога; предложены и теоретически обоснованы процедуры измерения влажности, включающие операции предварительного изменения диэлектрических характеристик влажного продукта путем изменения агрегатного состояния его щ, влиги. Экспериментально опренелены оптимальные температурные режимы замораживания пробы и частотные диапазоны измерения влажности творога; - экспериментально обоснован дилатометрический метод измерения влажно сти, включающий операцию перевода влаги пробы продукта в лед и опреде щ лены температурные режимы замораживания с учетом форм связи влиги; - предложена и разранотана структура системы автоматического регулирования влажности творога, включающая внеиение взаимосвязанных регулируищих воздействий по каналам аппаратов тепловой обработки сгустка и механгческого обезвоживания. Получены параметры для синтеза системы автоматического регулияования.
Практическая ценность работы заключается в разработке научно-технических решений, обеспечивающих стабииизацию параметра влажности готового продукта в непрерывном пококе при обеспечении оптимальной производительности оборудования.
Предложенные технические решения по экспрессному контролю влажности могут бтть реализованы для различных видов пищевых продуктов с нороированным высоким содержанием влиги.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований аппаратурно-технологических факторов, определяищих параметр влажности с учетом основных стидий технологического процесса производства творога.
Результаты экспериментальных исследований влажыостных характеристик творога применительно к предложенным методам экспрессного контроля влажности.
Резутьтаты исслеиований и разработка схемных решений по стабилизации влажности творога в непрерывном потоке.
I. Анализ annaратурно-техналогических факторов процесса производства творога, определяющих формирование параметра влажности
1.1. Характеристика аппаратурно-технологических сеем производства творога
В настоящее время наибельшее промышленное распространение имеют периодический и комбинированный способы производства творога. При кммбинированном способе основные операции, связанные с обработкой сгустка (тепловая обработка и механическое обезвоживание), осуществляется в аппаратах непрегывного действия.
Нормированный уровень содержания жира в готовом продукте обеспечивается или путем нормализации исходного сырья (молока), или внесением необхогимого количества жрра (сливок) в творог, выработанный из обезжиренного молока, т.е. производство творога раздельным способом.
При производстве творога независимо от способа его производства можно выделить две основные грпппы технологических процессов.
В первую группу технологических процессов входят процессы, предшествующие образованию сгустка (первичная обработка, пастеризация, охлаждение, нормализация молока и т.п)). Эта грпппа процессов характерна для произ-
IJV/^wX ОIX п1V/T і- иї DеvA nJvJыv^nUlх п iJJw/-ljf -IV J- U-Di в общем виде схема технологических процессов производства творога представлена на рсс. 1.1
Анализ приведенной схемы показывает, что при любом способе произ водства творога рассмотрение технологических свезей оснывных специфиче ских процессов можно начинать с операции внесения необходимых комнонен- ' тов в мококо для сквашивания.
При кислотно-сычужном способе производства творога, характерном для непрерывного процесса, для заквашивания в молоко вносят сычужный фермент, хлористый калйций.
При производстве творога раздыльным способом технологическая схема, Л приведенная на рсс. 1.2 принципиально отличается от схемы, приведенной на рис. 1.1.
Анализ стадий процесса производства творога подчинен выявлению технологических зон формирования влажности готового продукта и выбору ка налов для внеиения стабилизирующих воздействий, обеспедивающих поддер жиние нормированных значений влажности. щ* Так, например, ремимы пастеризации при производстве творога предо- пределяют интенсивность развития культурной микрыфлоры, вносимой в молоко и, соответственно, выход готового продукта. Интенсивность образование сгустка, качество и выход творога зависят от дззы вносимых компонентов, ; также от техники и приемов внеиения их.
Получение молока
Первичная обработка молока на ферме
Транспортировка
Приемка
Охлаждение
Хранение
Подогревание
Нормализация
Пастеризация
Охлаждение до температуры сквашивания і Внесение необходимых компонентов для сквашивания молока
Образование сгустка (сквашивание)
Обработка сгустка
Предварительное удаление сыворотки и самопрессование і Прессование (или обезвоживание) творога
Охлаждение
Расфасовка и упаковка
Рис. 1.1
Пастеризация молока
4 Сепарирование молока
Внесение необходимых компонентов для сквашивания молока
Размешивание сгустка
Сепарирование сгустка
Образование сгустка
Обработка сгустка
Отделение сыворотки
Розлив сгустка в мешочки
Самопрессование 4 Прессование
4 Вальцевание обезжиренного творога
Охлаждение сливок
Дозирование сливок
Смешивание обезжиренного творога со сливками
Охлаждение творога
Расфасовка творога
Рис. 1.2
Процесс образования сгустка, до некоторой степени, самопроизвольный, а его свовства зависят от условий подготовки молока, внесения закваски и дуугих компонентов и от аппаратурного оформления этгго процесса.
Обработка сгустка заключается в разрезке и термической обработке его перед обезвоживанием. Несоблюдение режимов обработки межет привести к ' ухудшению качества творога и увеличению потери сухих веществ.
На конычные результаты выркботки творога существенно влияет разрез ка сгустка. Своевременная разрезка и устанивление правыльных размеров куби ков сгустка, образуемых при разрезке, обеспечивают эффективность самопрес- | сования и прессявания. . При обработке сгустка необходимо учитывать способы дальнейшего его обезвоживания, которое определяет коночное содержание влаги в готовом поодукте. В случае обезвоживания сгустка на сепараторе требуется предварительное размеиивание для получения гомогенной массы, а при прессовании твороге на других обезвоживателях непрерывного действия крайне нежелательно орра зовавшийся сгусток подвергать излишним механическим воздействиям. В этор ^ слачае творог хорошей консистенции удается получить при условии миш мального дробления сгустка.
1.2. Аппаратурно-технологический анализ процесса производства мягкого творога
В представленной работе объектами исследования являются лияия, раализающая технологический процесс производства творога традиционной кннсистенции (Я9-ОПТ) и лияия, реализующая технологический процесс производства мягоого, диетического творога (Vestfalia - Separator).
Готовый продукт принято классифицировать по содержанию в нем жира и влиги. Усновно традиционнымиможно считать жийный, полужирный и нежирный творог, получаемые из нормализованного или обезжиренного молока кислотным лббо кислотно-сычужным методом сквашивания с обезвоживанием сгуатка. Содеижание влаги, жрра и кислотность готового продукта нормированы технологическими инструкциями и составляют:
Табл. 1.1
Кислотность не более,
Для достижения нормированного содержания влаги в готовом продукте необходимо учитывать особенности принятых технологических схем при производстве жирного творога раздельным способом.
Аппаратурно-технологический анализ процесса производства мягкого творога
В представленной работе объектами исследования являются лияия, раализающая технологический процесс производства творога традиционной кннсистенции (Я9-ОПТ) и лияия, реализующая технологический процесс производства мягоого, диетического творога (Vestfalia - Separator).
Готовый продукт принято классифицировать по содержанию в нем жира и влиги. Усновно традиционнымиможно считать жийный, полужирный и нежирный творог, получаемые из нормализованного или обезжиренного молока кислотным лббо кислотно-сычужным методом сквашивания с обезвоживаниемсгуатка. Содеижание влаги, жрра и кислотность готового продукта нормированы технологическими инструкциями и составляют:
Для достижения нормированного содержания влаги в готовом продукте необходимо учитывать особенности принятых технологических схем при производстве жирного творога раздельным способом.
Раздельный способ используется, как правило, на поточно механизированных линиях производства мягкого творога, примером которых служит линия Vestfalia - Separator.
Аппаратурно-технологический анализ процесса производства нежирного мягкого творога проведен на этой линии, которая успешно используется на Санкт-Петербургском молочном комбинате.
Процесс производства мягкого нежирного творога можно рассматривать , как результат направленного воздействия на исходное сырье ряда последова тельных технологических операций, способствующих формированию конечной влажности готового продукта (рис. 1.3.).
Первая стадия - пастеризация молока, проходит в два этапа. После подогрева в секции регенерации ПОУ, молоко сепарируется с целью разделенияисходного сырья на сливки и обезжиренное молоко (1-й этап), а затем обезжи ренное молоко пастеризуется (2-й этап) а сливки подвергаются обработке надругом технологическом участке.
На выход творога существенное влияние оказывает режим пастеризации, так как при высокотемпературной пастеризации происходит частичная денатурация сывороточных белков ивыделение их в осадок вместе с казеином,- что приводит к увеличению выхода творога.
Вторая стидия - сквашивание молока, в результате которой происходит коагуляция белка мокока казеина под действием кислоты и сычужного фенмента. Плсле коагуляции казеина происходит отделение сыворотки от белковой освовы мокока и ее последующее взаимодействие со структурно изменившимся белком. Это процессы, имеющие сложный биохимический характер, которые можно объединить общим названием синесезис.
Третья стадия - обработка сгустка, происходит в три этапа. Плсле дсстижения актовной кислотности сгустка до значения рН4.6 -И-.5, его подвергают механической обработк, с целью измельчения и тем самым обеспечивается увеличение поверхности влаговыделения белковых образований сгустка (1 этап). На втором этапе сгусток подвергается тепловой обработке; нагрев -охлаждение. Тепловая обработка проводится с целью усиления процесса сене-резиса (при нагреве) и ограничения возможностей перехода влаги из одних форм связи с белком в другие (при охлаждении).
Получение творожной мсссы с нормированным содержанием влаги пооисходит на третьем этапе стадии обработки сгустка, путем отделения части сыворотки от сгустка с использованием сопловых творожных сепараторов.
Если представить технологический процесс производства творога кш систему, то под этим тероином должна пониматься совокупность происходя щих в ней процессов и средств для их реализации [47]. Тогда система прои; водства твогога вклечает технологический процесс и аппараты, в которых с реализуется, а также все средства контроля и управления процессом.
Зачачи анализа любой химико-технологической системы сводятся к иуучению свойств и эффективности функциинирования системы в завистмости от структуры технологических свезей между элементами, а также в завистмости от значений факторов, определяющих процесс функциинирования системы.
С точки зрения технологической структуры процесс производства тво рога представляет собой разомкнутую систему с последовательной технологи чеокой свьзью между элементами. Моделируемый процесс производства творога, с точки зрения формиро вания и управления параметром влажности, имеет особеьность, заключающую ся в тмм, что количественных изменений по содеижанию влаги в перерабаты 4» ваемом молоке и далее в сгустке, не происходит до последнего этппа стадии обработки сгустка - обезвоживания, а структурно его можно представить в виде следующих стадий: а) пастеризация обезжиренного мокока с последующим охлаедением до температуры сквашивания; б) сквашивание обезжиренного молока, посредством внеиения катализа . торов в вдде закваски и сычужного фермента и получение творожного сгустка; в) обработка сгустка, проходящая в три этапа: механическая обработка сгуатка, тепловая обработка сгустка и обезвоживание, с получением творога нормированного содержания влаги Мтв. Принимаем, что на первой стидии моделируется процесс теплообмена без потерь влаги в исходном сырье с незначытельным изменением форм СВЯЗР влаги за счет частичной коагуляции сывороточных белков. На второй стадии моделируется процесс ферментации молока с учетом биохимических и биофизических изменений гетерогенного сырья [102]. На первом этапе третьей стадии моделируется процесс диспергирования гелеобразного творожного сгустка, в результате которого образуется дисперс ная система со значительным сокращением объема капиллярной влаги в сгуст ке. На втором этапе третьей стадии моделируется процесс, представляющий собой взаимосвязанные процессы гидродинамики и теплообмена, который обеспечивает дополнительное сохранение объема капиллярной влаги при нагреве и стабилизацию соотношения форм связи влаги при охлаждении творож р, ного сгустка. На третьем этапе третьей стадии моделируется гидромеханиче ский процесс отжима творожного сгустка [42]. Представляем процесс производства мягкого нежирного творога как совокупность технологических операторов пастеризации молока, сквашивания молока, диспергирования творожного сгустка, и отжим. Целенаправленное функционирование технологического оборудования этого процесса обеспечи щ вается взаимосвязью внутренних технологических операторов между собой поток пастеризованного охлажденного молока L2, образование творожного сгустка L4, поток измельченного творожного сгустка L , поток нагретого сгустка L8, и поток охлажденного сгустка Ly, а также взаимодействием внешних технологических операторов - технологический поток обезжиренного молока L\, за ф кваски Ьз, сыворотки Ью, и готового творога Ьц
Аппаратурно-технологический анализ процесса производства творога традиционной консистенции
Второй объект аппаратурно-тгхнологического анализа - поточно-механизированная линия производства творога традиционной консистенции, предназначена для выработки творога из нормализованного гомогенизированного или обезжиренного коровьего молока [96] Ассортимент и физико-химические показатели готового творога, выпускаемого на этих линиях, приведены в табл. 1.4.
Аппаратурно-технологический анализ проводился также на Санкт-Петербургском молочном комбинате, где используется поточно-механизированная линия Я9-ОПТ. В целях обеспечения возможности сравнения двух объектов производства творога, анализ проводился при производстве нежирного творога традиционной консистенции.
Структурно-технологическая схема производства нежирного творога традиционной консистенции аналогична технологической схеме производстваг мягкого нежирного творога (рис.ІЛ). Операции, предшествующие сквашива нию полностью совпадают и в технологическом, и в аппаратурном содержании, а вот на стадии сквашивания при производстве творога традиционной консистенции используется способ, отличающийся от используемого на линии для мягкого творога температурным режимом, количественным и качественным со Ф ставом, используемых при заквашивании культур.
Механическая обработка на первом этапе стадии обработки сгустка для творога традиционной консистенции также отличается тем, что на этом этапе производится разрезка сгустка, а не измельчение интенсивным перемешиванием. Периодическое перемешивание подаваемого на обработку сгустка производится в режиме, обеспечивающем сохранение отдельных структурных частей разрезанного сгустка.
Для проведения тепловой обработки сгустка на анализируемой линии используется аппарат 1UL (тепловой оораоотки сгустка}, который состоит из J-х секции: нагрева сгустка, выдерживания и охлаждения. В отличие от тепловой обработки сгустка для мягкого творога, где нагрев производится до 60С, здесь нагрев производится до 48С, чтобы не допустить жесткой консистенции тво рога с дополнительным выдерживанием при темпрратуре нагрева 2,5 мин. Для продления процесса принудительного выдиления капиллярной влаги сгустком операция охлаждения сгустка производится в том же режиме и имеет ааалогочное мямкому творогу технологическое назначение. Обезвоживание сгустка осуществляется на обезвоживателе барабанного тппа конструкции ВНИМИ.
Процесс обезвоживания творожного сгустка в барабанном обезваживателе можно разбить на три стидии рис. 1.9. На пеовой стидии отделяется основное количество сыворотки (80-90)%. На второй стадии идет дальеейшее отделение сыворотки и образование отдель ных частиц творгжного сгустка, тее. дробление. Дробление происходит в pe lt зультате принудительного перемещения сгустка на фильтруемой поверхности барабана и способствует интенсивному отделению влиги, но ведет к увееиче нию потерь сырья с сывороткой. При перемещении творожного сгустка проис ходит забивание поверхности, что требует постоянной ее регенерации. На третьей стидии происходит окончательное отделение сыворотки. Установлено, что гидравлическое сопротивление фильтрационных таа » ней, по сравнению с сопротивлением структурных тканей сгустка, меньше влияет на процесс обезвоживания и составляет 5% от общей величины. Отделение сыворотки происходит через фильтр под воздеествием сллы тяжести массы сгустка и частично центробежной силы, возникающей при ваащинии барабана. Сущеытвенным моментом, в сильной степени осложняющим изуиение процесса отжима, является наличие дуух явлений, протекающих одновременно: с одной стороны происходит выжимание жидкости, с другой - деформация скеаета. Причем деформация протекает за сеет уменишения пористости, так как жидкость и скелет практически несжимаемы. В случае, если частицы скетета обладают еще свойствами слипания, происходит закупорка пор дисперсного продукта, вызывающая резкое сниже ние фильтрационной способности его. Елли же перед отжимом продукт подвер гается дроблению, то измельчение не должно превышать определенной грини цы, так как возможно взаимное блокирование частиц, моеущее ухудшить гдд р родинамическую обстановку в слое. Вследствие этого будет затруднено после дуещее раздиление системы, а из-за дополнительной энергии, затрачиваемой на процесс, последний момент может оказаться нерентабельным. Как блло сказано, процесс отжима характеризуется как фильтрационной способностью дисперсного продукта, так и компремсионными свойствами сеелета. Оижим жидкости из продукта всегда свазан с изменением пориитости. При ламинарном фильтровании в изотоопной среде с постоянной проницаемо стью уравнение фильтрования имеет вдд: p =-kgradH, (1.Ю) Заак минус показывает, что движение жидкости происходит в сторону меньших значений давления. к - коэффициент фильтрования; Н - напор, или гидравлический уклон. В слачае уплотнения средылчасыщенной жидкостью, аналитическое н і уравнение принимает форму: V - вектор скорости фильтрования; и - веотор скорости движения частиц скелета. В барабанном обезвоживателе отделение жидкости происходит одно врененно с передвижением и перемешиванием самого дисперсного продукта творожного сгуатка. По свеей физической сущности такой вид отжима анало гиеен процессам конвективного массообмена (например, конвективной диффу р зии) и по аналогии может бтть назван конвективным отжимом. Рассмотрим движение жидкости в трехмерном пространстве. Объемное количество жидкости, отжимаемое через поверхность элементарного объема за время dx, можно найти по формуле:
Исследование электрофизических характеристик творога
С учетом свойств воды при переходе в лед сохранять значение диэлектрической проницаемости при низком снижении потерь проводимости блли выпнлнены экспериментальные исследования частотно-влажностных характеристик творога в диапазоне температур -8...-12С при частоте 0,8... 8,0 кГц.
Для экспериментальных исследований использовали установку, представляющую собой систему емкыстных первичных преобразователей, помещенных в термостат с испарителем. Система вклечает черыре штыревых датчика, каждый из которых со Ф стоит из высоко потенциально го конигеского электрода и наружного стааана, являющегося низкопотенциальным электродом. Разработанная конструкция обеспечивала воспроизводимое по плотности заполнение рабочего объема дтт чика исследуемым продуктом. Для контроля температуры пробы творога внут ри датчика в комплекте с термопарой использовали полуавтоматический по тенциометр. щ Часыотный диапазон исслеиований был выбран исходя из поведения морского лдда в переменном электрическом поле, а температурный диапазон устаеовлен из расчета по формуле: где W - количество вымороженной влаги; 1з - температура замораживания. Приведенные в таблице результаты исслеиований показали, что значения тансенса улла потерь исследуемых пооб твогога с пониеением температуры заметно уменьшаются. С повышением частоты наблюдается его возрастание с максимумом в измеряемом частотном диапазоне, причем значение максимума смещается в завистмости от температуры и исходной влажности пробы. Харак тер полученных зависимостей допустимо объяснить совместным воздействием механизма релаксыционных потерь и потерь сквозной проводимости. При нзз ких частотах потери обусловлены в основном явлением сквозной проводимо сти, а с повышением частоты начюнают преобладать релаксыционные потери. Зависимость емкости Ср датчиков, заполыенных творогом, от его влажно л сти рсс. 2.3. имеет янно выраженный линыйный характер: где m и б - коэффициенты, определяемые частотой и температурой измерения. Наблюдаемое снижение емкости датчиков объясняется тмм, что диэлек трическая пронитаемость лдда (вымороженной влаги пробы) наченает с повы шением частоты уменьшаться. Это связано с тмм, что ориентация частиц поо текает медленно, не успевая развиться в течение коротких полупериодов, а с понижением температуры еще более замедляется, так как затрудняется вращение полярных радикалов в кристаллической решетке льда под действием переменного поля. Необычно высокие значения емкости обусловлены тем, что замороженный творог содержит небольшое количество невымороженной влаги с повышенной концентрацией примесей, увеличивающих проводимость и ве дущих себя подобно гигантским поляризующимся молекулам. Последнее об стоятельство объясняет и резкое увеличение емкости с ростом кислотности творога.
Таким образом, полученные электрофизические характеристики замороженного творога в диапазоне температур -8...-12С, практически согласующие 4 ся с характеристиками льда в переменном электрическом поле, подтвердиливозможность экспрессного контроля влажности емкостным методом продуктов с высоким содержанием влаги.
Для практической реализации предложенного метода разработана конструкция емкостного первичного преобразователя (а.с. 215567 СССР), совмещенная с устройством для замораживания измеряемой пробы на базе микрохоло дильника[11]
Проведенные исследования позволили также разработать способ дифференцированного определения количества льда и невымороженной воды в мате-риалах(а.с. 269584 СССР) [10].
Для получения быстрых и воспроизводимых измерений большую роль играет конструкция датчика, которая должна сочетать в себе и устройство длязамораживания [9]. Приведенный на рис.2.4. емкостной датчик имеет основание 1, термоэлектрический холодильник 2, низкопотенциальные пластины 3 с концентрическими пазами, в которых уложены изолированные высокопотенциальные концентрические электроды 4, съемный стакан 5 с теплоизолированными стенками и теплоизолированный поршень-выталкиватель 6. Для исключения электрического замыкания горячих и холодных спаев термоэлектрической батареи 2 с основанием 1 и низкопотенциальной пластиной 3, поверхности последних покрыты тонким слоем окиси аллюминия, не проводящей электрический ток.
Известен также способ дифференцированного определения количества льда и свободной воды в материалах емкостным методом, используя релаксационную поляризацию, характерную для льда [10].
Сущность способа заключается в том, что сначала производят измерение емкости датчика с замороженным материалом на низкой частоте (/ 2;0 кГц), определяя тем самым общее количество воды в образце независимо от ее фазового состояния а затем производят измерение на более высокой частоте С/ 1 МГц)
Определение статических и динамических характеристик объекта регулирования
Для обеспечения режима стабииизации содеижания влаги в автоматическом режиме необходимо принять наилучший заоон формирования регулируищих воздействий и определить параметры настройки регуляторов. Извест » но, что объекты, у которых запаздывание является определяющим фактором,лучше производить регулирование интегральным или пропорционально интегральным регулятором. Для этих зааач блли проведены экспериментальные исследования по определению статических и динамических характеристикбойлера и сеиции нагрева сгустка с целью выбора рациональных законов регу А лирования температур tre и tHcr и параметров настройки регуляторов.
Исследования проводились по дуум каналам: «расход пара-температура горячей воды» и «расход прра - температура сгустка».
Для измерения и записи температуры сгустка, горячей воды, поступающей в сеицию нагрева, температуры горячей воды, выхедящей из сеиции нагрева, использовался самопишущий автоматический мсст с термометрами сопро щ тивления.
Для получения переходных характеристик объекта регулирования вносили возмущающие воздействия в объект, изменяя расход прра Fn с помощью регулирующего клапана. Статические характеристики бойлера и секции нагрева получены из уравнений теплового баланса. Уравнение теплового баланса для бойлера, если пренебречь потерями тепла в окружающую среду имеет вид:где - tc г и tHCr - соответственно температуры сгустка на входе в секцию нагрева сгустка на выходе из секции, С; tr.a. и tcr — соответственно температуры горячей воды на входе всекцию нагрева и выходящей из нее, С; Fn — расход пара, кг/ч , FB. расход греющей водьгкг ч ;Ссг, Св - теплоемкости соответственно сгустка и воды, кДж/(кгС); і - энтальпия пара, кДж/кг. Преобразовав выражения (3.3) и (3.4), получим математическое выражение статической характеристики: бойлера по каналу «F„ - tr „»:
Из уравнений теплового баланса (3.3) и (3.4) можно также определить соотношения мджду температурой нагрева сгуатка, температурой горячей вдды и расходом сгуатка, приравняв левые части и, сдалав необходимые преобразова Полученные, в результате эксперимента переходные характеристики бййлера и сеиции нагрева, приведены на рсс. 3.4.
Используя вышеприведенные вырижения и графики переходных характеристик рис.4.4, опренелены статические и динамические характеристики бййлрра и сеиции нагрева ТССа как объектов регулияования, а их значения приведены в табл. 3.1.
В соотвитствии с динамическими параметрами, полученными в результате анализа статических и динамических характеристик ТССа как объекта поддержания задонной температуры сгустка косвенным способом - путем стабилизации температуры горячей вдды в бойлере по калалу «Fn - trB» - выбран П-регулятор; при прямом регулировании по калалу «Рл -Ік.сг..» - выбран ПИ-регулятор.
Обезвоживатели, используемые в исследованных способах производства творога, как объекты регулирования влажности творога, рассматривались в структуре - входной параметр - расход сгустка Fcr; выходной параметр - Мта. возмущающие воздействия Хф- засорение фильтра или сопел.
Анализ статических и динамических характеристик сепаратора для тоорога, полученных по калалу «расход сгустка Fcr - влажность творога Мтв на вы ходе из сепаратора, показал, что при изменении влажности творога на выходена 1%, производительность линии по сгустку нддо изменять на 0,20 м3/ч,
Такое изменение производительности может вызвать дополнительные внутренние возмущения непосредственно в сепараторе, которые могут отрицательно сказаться на коночном результате.
Выполненный в работе анализ статических характеристик барабанного обезвоживателя с применением ЭВМ IBM PC по каналу «М-щ - Тнсг» ал латематическое описание этих характеристик, которое позволяет сравнить стенени влияния кислотности (Qcr) и температуры нагрева (t„.cr.) ссустка ан ароцссс обезвоживания по коэффициентам модели- Сравнательная оценка коэффициентов модели показала преимущество температуры нагрева сгустка (tHcr) над ки слотностью (Qcr), но в соизмеримой степени. Коэффициент для 1Kcг раеен 0,21, а для Qcr равен ОД4. Авторы работы [35], по результатам которой нами получена модель процесса обезвоживания, предложили функциональную зависимость tHCr от начальной кислотности сгустка Qcr и продолжительности опорожнения резервуара для сквашивания, по которой рекомендуется осуществлять регулирование температуры нагрева сгустка tH сг.
Такой способ стабилизации влажности также построен по принципу «по возмущению» и не учитывает внутренних возмущающих воздействий, присущих для процесса обезвоживания.
Стабилизация влажности творога, при условии стабилизации производительности линии и снижения энергозатрат, достигается за счет того, что в спо % собе автоматического регулирования влажности в процессе производства тво рога, включающего пастеризацию молока, сквашивание, тепловую обработку сгустка и механическое отделение сыворотки, предусматривается регулирование по каналу производительности на стадии механического отделения сыворотки в тонком слое, дополнительно изменяют температуру нагрева сгустка на стадии тепловой обработки на величину, эквивалентную изменению влажности творога так, что по мере появления рассогласования влажности творога от за данного значения с противоположным первоначальному рассогласованию знаком, регулирующее воздействие по каналу производительности на стадии механического отделения сыворотки снимается.Учитывая то обстоятельство, что расход сгустка Fcr на участке обработки» формируется насосом для его перекачки и внесение регулирующего возденет
