Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор технологий и технических средств переработки картофеля для длительного хранения 7
1.1. Способы переработки картофеля для длительного хранения 7
1.2. Свойства картофеля и продуктов его переработки различными способами. Требования к исходному сырью и получаемым продуктам 10
1.3. Технологии и оборудование для производства сухого картофельного пюре 18
1.3.1. Анализ способов получения сухого картофельного пюре и технические средства для их реализации 18
1.3.2. Способы и устройства для обработки лучепроницаемых материалов инфракрасным излучением 33
Выводы и задачи исследований 45
2. Теоретическое обоснование параметров сушилки картофельного пюре с комбинированным подводом потока энергии 47
2.1. Обоснование принципиальной конструктивной схемы сушилки 47
2.2. Разработка математической модели процесса кондуктивно-инфра-красной сушки картофельного пюре 58
Выводы по результатам теоретических исследований 70
3. Экспериментальные исследования 71
3.1. Программа экспериментальных исследований 71
3.2. Методика проведения лабораторных исследований
3.2.1. Устройство лабораторной установки 72
3.2.2. Методика лабораторных исследований 74
3.3. Методика исследований на экспериментальной установке 77
3.3.1. Устройство экспериментальной установки 77
3.3.2. Методика экспериментальных исследований
3.4. Методика обработки результатов исследований 83
Выводы 86
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 88
4.1. Результаты исследований на лабораторной установке 88
4.2. Результаты исследований на экспериментальной установке 95
4.3. Результаты исследований качества полученного продукта 101
Выводы по результатам экспериментальных исследований 103
5. Реализация результатов исследования 105
5.1. Обоснование конструктивно-режимных параметров сушилки 105
5.2.Объем и результаты внедрения опытного образца кондуктивно инфракрасной сушилки 119
5.3. Технико-экономическая оценка 121
Общие выводы 126
Список использованных источников
- Анализ способов получения сухого картофельного пюре и технические средства для их реализации
- Способы и устройства для обработки лучепроницаемых материалов инфракрасным излучением
- Разработка математической модели процесса кондуктивно-инфра-красной сушки картофельного пюре
- Результаты исследований качества полученного продукта
Анализ способов получения сухого картофельного пюре и технические средства для их реализации
Сухое картофельное пюре производят различными способами, однако все способы предусматривают 3 группы обязательных операций: мойку и очистку картофеля от кожуры, гидротермическую обработку и сушку. Процесс подготовки картофеля от мойки до варки по всем технологиям осуществляется по одинаковой схеме и режимам: мойка, инспекция, очистка, сульфитация, резка, промывка, бланширование, охлаждение, варка [1,2,6,7,8]. Остальные технологические операции различаются в зависимости от способов сушки и вида конечного продукта.
Мойка осуществляется в барабанной моечной машине. После машинной очистки кожуры картофеля производят ручную доочистку на конвейере, при которой удаляют остатки кожуры, глазки, почерневшие места и другие дефекты.
Для машинной очистки клубней применяются различные способы: механический, паровой, пароводотермический, щелочной, щелочно-паровой, с помощью обжига и др. При переработке картофеля отходы и потери достигают 50 %, причем основное их количество образуется при очистке, поэтому важно выбрать правильный способ очистки. Наибольшее распространение получили механический и паровой способы.
Механический способ основан на принципе истирания поверхности клубня абразивным материалом. Для этого способа очистки важно, чтобы клубни были откалиброваны по размеру, не имели проростков, сохраняли упругость. К достоинствам механической очистки относится сохранение структуры клубня. Существенные недостатки этого способа: быстрое потемнение очищенного картофеля на воздухе под воздействием тирозиназы, большое количество отходов. На линиях с производительностью более 250 кг/ч этот способ не используется.
При паровом способе очистки некалиброванные клубни кратковременно обрабатываются паром высокого давления и далее кожура удаляется водой в щеточной моечно-очистительной машине. Обработка паром обеспечивает неглубокое проваривание кожуры и поверхностного слоя ткани картофеля, а резкий перепад давления при выгрузке картофеля из аппарата создает эффект взрыва, что способствует эффективному отделению поверхностного слоя клубня.
Другие виды очистки картофеля не нашли широкого распространения, поэтому в данном обзоре не рассматриваются.
Под гидротермической обработкой картофеля понимается бланширование и варка. При бланшировании удаляется воздух из тканей, что способствует уменьшению деятельности окислительных ферментов, стабилизируется натуральный цвет и вкус продукта. Причем бланширование картофеля происходит при избытке влаги, то есть в условиях благоприятных для гидратации крахмальных зерен [1,32].
Варка картофеля ослабляет связи между отдельными клетками и их группами. Это обеспечивает рассыпчатость картофеля. Варкой достигается ускорение процесса сушки, объясняемое разрыхлением ткани и увеличением её пористости в результате гидролиза пектиновых веществ.
Бланширование и варка способствуют также лучшей сохраняемости сухого картофельного пюре благодаря уменьшению гигроскопичности, а также инактивации ферментов , содержащихся в картофеле [1,8,32]. Инактивация фермента аскорбиназа, катализирующего окисление аскорбиновой кислоты (витамин С Способствует более длительной его сохранности.
Для уменьшения потерь пищевых веществ и витаминов при бланши 20 ровании и варке применяются различные технологические приемы: варка на воде или паровая, однократная или двукратная с промежуточным охлаждением [38]. Но при длительном воздействии острого пара или горячей воды может произойти разрушение оболочки клеток за счет перепада осмотического давления внутри клетки и в межклеточном пространстве. Поэтому после бланширования рекомендуется провести охлаждение картофеля проточной водой в течение 20-40 мин.
Однократная варка позволяет сохранить большее количество питательных веществ, энергозатраты на его изготовление меньше, но консистенция гарнирного картофеля, приготовленного из сухого картофельного пюре будет несколько хуже [38].
Сваренный картофель разминается в пюре с влажностью около 80 %. При этом в зависимости от получаемого конечного продукта и в целях повышения пищевой ценности, улучшения технологических показателей на следующей операции, а также повышения сохранности в пюре вносят различные добавки, регламентируемые соответствующими ТУ. Повышают пищевую ценность пюре молоко коровье обезжиренное сухое по ГОСТ 10970-87, молоко коровье сухое по ГОСТ 4495-87, порошок яичный по ГОСТ 2858-82, белок соевый пищевой по ТУ 10-04-02-31-88 и др.[39].
Технологический показатель требующий особого внимания это небольшое количество разрушенных клеток, так как из них выпадают зерна крахмала, влияющие на консистенцию картофельного пюре. Установлено, что при содержании в продукте более 25 % разрушенных клеток пюре получается клейкое, 15 % - удовлетворительной консистенции, менее 6 % -хорошей консистенции [1,8,32]. Укрепляют оболочку клеток либо промежуточным охлаждением водой, либо внесением добавок. Хлористый кальций, например, вступает в реакцию с пектиновыми кислотами и образует нерастворимые пектаты. Свободный крахмал связывают с помощью поверхностно-активных веществ ( ПАВ ). Для этой цели используют моноглицериды дистиллированные (МГД по ТУ 10-04-02-42-89) [39], представляющие собой твердый продукт в виде гранул бело-кремового цвета. Перед сушкой МГД в количестве 1 % от сухих веществ картофеля растворяют в горячей воде и смешивают с картофельным пюре. МГД образуют комплексные соединения с амилозой крахмала, препятствуя её диффузии из набухших зерен крахмала в водную фазу и образованию амилозного геля. МГД также облегчает съем высушенного картофельного пюре с поверхности вальцовой сушилки и интенсифицирует процесс сушки.
Для предупреждения потемнения картофеля очищенный картофель обрабатывают раствором пиросульфита натрия по ГОСТ 11683-76 или водным раствором бисульфита натрия по ГОСТ 902-76 [39]. При этом инакти-вируется фермент тирозиназа. Одновременно стабилизируется аскорбиновая кислота, так как соли сернистой кислоты предохраняют её от окисления и перехода в менее стойкую дегидроформу витамина С.
Внесение МГД увеличивает количество жиров, поэтому в пюре вносятся также антиоксиданты, например, аскорбиновая кислота, бутилокси-лолтолуол по ТУ 38101459-75 [39].
Наиболее важную роль при производстве сухого картофельного пюре имеет операция сушки. К сушке предъявляются следующие требования: не допустимость карамелизации и обугливания поверхности продукта, что происходит при повышенном содержании Сахаров и высокой температуре или длительном температурном воздействии; обеспечение минимальных потерь витаминов, белков и углеводов, количество разрушенных картофельных клеток должно быть также минимальным, максимальное сохранение естественных органолептических свойств картофеля.
Способы и устройства для обработки лучепроницаемых материалов инфракрасным излучением
Обзор исследований по сушке картофельного пюре показал, что на-более распространенным и эффективным способом является кондуктивный с использованием одновальцовой сушилки.Для интенсификации процесса кондуктивной сушки предложено применение ИК-излучения, направленного на тонкий слой картофельного пюре с наружной стороны вальца. Однако глубоких систематических исследований по сушке пюре с комбинированным подводом энергии не проводилось.
В связи с этим необходимо прежде всего обосновать рациональные зоны ИК-облучения, то есть выбрать рациональное размещение генератора излучения относительно сушильного вальца.
При решении этой задачи исходим из того, что картофельное пюре является термолабильным материалом и повышение температуры, вызванное введением дополнительного источника энергоподвода, на всем протяжении процесса сушки ограничивается его термоусточивыми свойствами.
Из теории сушки известно, что растительные материалы при высокой влажности в начальный период можно подвергать мощному энергетическому облучению [62, 105]. При этом перегрева их не происходит, т.к. тем о
пература поверхностного слоя не превышает 100 С. Согласно основным положениям теории начального импульса [106] на первой стадии процесса сушки необходимо достичь быстрого объемного прогрева слоя высушиваемого материала. Практика показывает, что это достичь можно применением мощного ИК-облучения [59]. Кратковременное воздействие ИК-излучения играет роль начального теплового импульса в соответствии с принципом Ле-Шателье - Брауна. Причем с увеличением температуры растительного материала на стадии прогрева эффективность процесса сушки линейно возрастает [61]. Это связано с тем, что с возрастанием начальной температуры происходит значительное увеличение коэффициента диффузии влаги - ам [105].
Аналогичные рекомендации по интенсификации кондуктивной сушки приводятся академиком ВАСХНИЛ В.В. Красниковым [61,64]. Указывается, что применение ИК-облучения при кондуктивной сушке пищевых продуктов является желательным. При этом радиационный нагрев тонкослойных материалов целесообразно использовать при комбинированной сушке лишь во влажной области материала.
Данные по спектральной поглощательной способности А\ свежего и сушеного картофеля, приведенные на рис. 2.1, также свидетельствуют о целесообразности облучения на начальной стадии процесса сушки. Из рисунка видно, что с уменьшением влажности W картофелепродукта, Ах во всей области спектра ИК-генератора уменьшается, а отражательная способность R\ возрастает. Следовательно, с уменьшением влажности больше излучения будет отражаться. При этом к.п.д. лучистого теплообмена снижается.
Исходя из вышеизложенного, предпочтительнее всего установка ИК-излучателей для прогрева пюре с исходной, высокой влажностью, в зоне барабана, наиболее приближенной к месту нанесения на него пюре ( рис. 2.2"в" ). При этом будет происходить быстрый нагрев слоя до температуры 100С и интенсивное испарение влаги как с наружной поверхности слоя, так и в месте контакта с греющей поверхностью. Дальнейший подвод тепла будет расходоваться только на испарение влаги. Вышеизложенное согласуется с данными , полученными в НПО ПК. Проведенные там исследования показали, что качество сушеных картофелепродуктов зависит от 3-х факторов: содержания сухих веществ, темпера туры и продолжительности
Зависимость поглощательной способности картофеля от длины волны X: 1 - влажный картофель W = 74,5 %, 2 - сухой картофель W = 10 %, 3 - спектральная интенсивность излучения приводится зависимость, характеризующую динамическую термоустойчивость tmaK наружной поверхности слоя картофеля в месте контакта с греющей поверхностью, от конечного содержания в нем сухих веществ. Из рисунка видно, что максимально допустимая температура /тах при большой влажности материала намного выше, чем у материала с малой влажностью. Следовательно, интенсивный прогрев материала с применением ИК-облучения можно применять только на начальной стадии сушки, в области высокого влагосодержания сырья.
Равномерное облучение по всему периметру вальца ( рис. 2.2 "а" ) может привести к пересушке и подгоранию части продукта.Это объясняется тем, что по мере удаления влаги термостойкость пюре уменьшается. Попытка исключить эту вероятность за счет изменения в конце зоны облучения расстояния между генераторами или изменения расстояния от генератора до пюре приводят к существенному усложнению конструкции сушилки и, как следствие, её удорожанию.
По этой же причине нецелесообразно размещение зон облучения по схеме "б" и "г"( рис. 2.2) так как мощному облучению будет подвергаться слой уже подсушенного материала. При этом по затратам энергии на удаление влаги пюре схема ( рис.2.2"в" ), наиболее рациональная с точки зрения получения качественного продукта и наименьшего расхода энергии.
Для правильного ведения технологического процесса сушки картофельного пюре с использованием инфракрасного излучения необходимо подобрать ИК-генератор таким образом, чтобы достигалась наибольшая корреляция оптических свойств пюре, обладающего селективными свойствами, и эмиссионных характеристик излучателя. Только при этих условиях можно добиться равномерного, объемного прогрева слоя материала ИК-излучением.
Разработка математической модели процесса кондуктивно-инфра-красной сушки картофельного пюре
В теоретической части работы было показано, что для интенсификации процесса сушки картофельного пюре кондуктивным способом необходимо к слою пюре, нанесенному на греющую поверхность, с внешней стороны подвести энергию инфракрасного излучения.
Экспериментальными исследованиями необходимо было подтвердить обоснованность теоретических предпосылок по выбору места расположения ИК-генераторов относительно вальца и экспозиции сушки. Поскольку решение этих задач непосредственно на вальцовой сушилке сопряжено с существенным усложнением экспериментальной установки, дополнительными затратами средств и времени, исследования проводились в два этапа.
На первом этапе исследовалось влияние последовательности кондук-тивного и инфракрасного нагрева пюре и экспозиции сушки на энергетические показатели процесса и качество, получаемого продукта в статике. Программой исследований при этом предусматривалось изучение закономерностей изменения в зависимости от плотности подводимой энергии ИК-излучения в сочетании с кондуктивным нагревом продукта: - экспозиции сушки; - температуры греющей поверхности; - удельных затрат энергии; - производительности по испаренной влаге; - качественных показателей получаемого продукта. Задачей второго этапа являлось экспериментальное обоснование конструктивно-режимных параметров сушилки с комбинированным подводом энергии к высушиваемому пюре.
В соответствии с программой экспериментальных исследований были разработаны и изготовлены лабораторная и экспериментальная установки для сушки пюре.
В связи с обоснованностью предыдущими исследованиями по кон-дуктивной сушке пюре таких параметров, как температура греющей поверхности ( 160-170С ) и толщина слоя высушиваемого пюре ( « 0,0006 м ) при разработке лабораторной установки они были приняты априори.
В сочетании с кондуктивным нагревом пюре обеспечивался подвод энергии в виде ИК-излучения с регулированием плотности его потока.
Основными элементами лабораторной установки (рис. 3.1 ) являлись греющая контактная поверхность 1, выполненная из коррозийностойкой стали и блок излучения 2. Нагрев контактной поверхности осуществлялся от электронагревателя 3, мощность которого регулировалась трансформатором 4. Для предотвращения потерь тепла в окружающую среду поверхность 1 изолировали снизу и с боков теплоизолирующим материалом 5. В качестве источника излучения использовалась лампа КГТ-220-1000 14 с преобладающим интегральным спектром инфракрасного излучения. Для предотвращения потерь лучистой энергии в окружающую среду лампы заключены в отражатель 6, имеющий высокую отражательную способность ( R до 0,96 ) во всей ближней и средней ИК- области спектра. Плотность падающего потока РЖ-излучения регулировалась перемещением с помощью штатива 7 блока излучения относительно продукта.
Для определения температуры поверхности нагрева использовались хромель-коппелевые термопары 8 с диаметром проволоки 0,5-Ю-3 м.
Схема лабораторной установки 1-греющая поверхность, 2-блок излучснші, 3-электронагрсватсль, 4-трансформатор, 5-теплоизолятор, б-отражатель, 7-штатив, 8-термопары, 9-потенциометр, 10-амперметр, 11-вольтметр, 12-вольтмстр, 13-ваггмстр, 14-ИК-ламиы Термопары зачеканены в поверхность нагрева в 4-х точках. Автоматическая запись температуры производилась многоточечным потенциометром 9 марки КСП-4 с пределом измерений 0-200С, класс точности прибора - 0,5. Для контроля основных параметров потребляемой энергии установлены амперметр 10 и вольтметр 11. Для контроля напряжения и мощности на электронагревателе использовались вольтметр 12 и ваттметр 13.
Исследования проводились на сортах картофеля, наиболее распространенных в Сибирском регионе - Невский, Луговской, Лорх.
Пюре для сушки влажностью 80% готовилось по действующей технологической инструкции в соответствии с ТУ 92-02.08.021-91. Установку включали за 0,5-1,0 ч до проведения опытов. Прогрев производился до достижения стационарного режима температур греющей поверхности в пределах 160-170С. Замеры производились до совпадения значений температур в заданном интервале в двух последовательных сериях измерений. В процессе сушки температура греющей поверхности определялась как среднее значение 3-х измерений. Погрешность измерений не превышала погрешности, соответствующей классу точности 0,5 потенциометра КСП-4.
Картофельное пюре наносилось валиком на греющую поверхность и высушивалось при различных режимах до влажности 10%. Режимы сушки при исследованиях были приняты следующие: кондуктивная - контрольная, кондуктивная + ИК-облучение, кондуктивная + ИК-облучение + кондуктивная досушка. Влажность пюре до и в процессе сушки определяли по известной методике с помощью прибора Чижовой.
Результаты исследований качества полученного продукта
По результатам теоретических и экспериментальных исследований была разработана опытная кондуктивно-инфракрасная сушилка ( рис. 5.1, 5.2 ). Сушилка представляет собой рамную конструкцию -6, на которой смонтированы: сушильный валец -1, устройство для нанесения пюре на греющую поверхность -2, имеющее регулировку для получения слоя картофельного пюре различной толщины, скребковый механизм -4 для снятия готового продукта с поверхности вальца , привод -5 для вращения вальца, валиков и шнека, блок ИК-излучателей -7, вентиляционный зонт -8, сборник готового продукта -9, пульт управления -10. Устройство для нанесения пюре состоит из бункера с распределительным шнеком -3 и валиков -2, накатывающих пюре на сушильный валец. Для равномерного распределения картофельного пюре по длине вальца шнек имеет двусторонюю навивку. Скребковый механизм представляет собой самозатачивающиеся ножи прижимаемые к поверхности вальца пружинами. Для нагрева поверхности вальца внутри его устанавливаются неподвижно ТЭНы. Вращаясь над ТЭ-Нами валец равномерно прогревается по всей поверхности.
Сушилка работает следующим образом: при нажатии на пусковую кнопку привод приводит во вращение валец, шнек и валики, одновременно включаются нагревательные элементы - ТЭНы и ИК-излучатели. По достижении поверхностью вальца рабочей температуры в бункер закладывается сваренное картофельное пюре с влажностью около 80%. Двусторонним шнеком масса пюре перемещается вдоль нагретой поверхности вальца и при их соприкосновении происходит налипание на нее. Часть пюре прилипает к валикам и при прохождении вальца под ними передается ему, увеличивая тем самым толщину наносимого слоя.
За один оборот вальца происходит нанесение слоя пюре на валец, сушка его с двусторонним энергоподводом и съем сухого картофельного пюре в виде хлопьев в сборник. Методикой расчета сушилки предусматривается: 1. Тепловой расчет, позволяющий определить количество тепла, необходимого для разогрева и поддержания температуры конструктивных элементов сушилки с учетом компенсации теплопотерь в окружающую среду, и количества тепла, необходимого для нагрева картофельного пюре и испарения его влаги, при заданном времени сушки, продолжительности ИК-облучения, толщине высушиваемого слоя картофельного пюре и габаритных размерах сушильного вальца. 2. На основании теплового расчета определяется потребная мощность нагревателей и их тип. 3. По заданному времени сушки и габаритам сушильного вальца определяется производительность сушилки по готовому продукту. 4. С учетом принятых технических решений делается кинематический и силовой расчет привода вращения сушильного вальца. 5. С целью отвода испаряющейся влаги делается расчет вентиляционной системы сушки. Разрабатываемая сушилка предназначена в основном для фермерских и подсобных хозяйств с объемом переработки картофеля 400-500т в год, поэтому при определении всех основных конструктивно-режимных параметров сушилки ориентировались на эти объемы.
При определении продолжительности сушки картофельного пюре на горячей поверхности вращающегося вальца исходили из того, что процесс сушки осуществляется за один его оборот. За время оборота вальца пюре наносится на его поверхность, высушивается до готового состояния и снимается ножом. На существующих вальцовых сушилках путь, пройденный пюре при этом составляет часть длины окружности равную ( 0,75-0,8 ) тіДб или часть оборота вальца (р 0=( 0,75-0,8 )п. Тогда время сушки будет равно: т = 60(р0/п, с (5.1 ) где Дб - диаметр барабана вальца,м п - число оборотов вальца в минуту. Продолжительность сушки пюре на существующих вальцовых сушилках составляет 30 с. [7]. Считаем, что подвод дополнительной энергии ИК-из лучения позволяет сократить длительность сушки. Примем априори длительность сушки с комбинированным энергоподводом 20-25 с.
Тогда число оборотов вальца составит: п = 60 ф о / т п= 1,92-2,4 об/мин. Диаметр барабана вальца и его длину принимаем из конструктивных соображений равными соответственно Дб= 0,8м и В = 1,0м. Длина рабочей части барабана вальца составит 0,9 от его длины [52,53]. Производительность сушилки по готовому продукту определяется по формуле [52]: G2 = Дб -бО-я-п-В-Бгрсух, кг/ч, ( 5.2 ) где 5г = ( 0,0002- 0,0005 )м - толщина хлопьев пюре согласно ТУ 92-02.08.021-91; рсух - плотность хлопьев сухого картофельного пюре по данным рабо-ты [106] составляет 300 кг/м . Тогда производительность сушилки по готовому продукту будет в пределах 24-30 кг/ч при средней толщине хлопьев 0,3 мм. Производительность по сырому материалу определяется по формуле: _ G/100-WJ . /г„, G, = — , кг/ч (5.3 ) 100-W, где Wi =80%, W2 = 10% влажность исходного и сухого материалов. Производительность по сырому материалу составит 108-135 кг/ч.
Тепловой расчет сушилки проводим в соответствии с выбранной схемой подвода тепла к высушиваемому слою картофельного пюре. При этом режим обогрева сушильного вальца разделим на периоды разогрева, когда подводится больше тепла с целью ускорения достижения рабочей поверхностью вальца требуемой для сушки температуры и сушки, когда подводимое тепло расходуется только на сушку и поддержание рабочей температуры поверхности вальца.
В процессе разогрева поверхности вальца до необходимой температуры тепло, подводимое электронагревателями, расходуется на на нагрев стенок вальца, конструктивных элементов и компенсацию теплопотерь в окружающую среду.
