Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1 Развитие технологии и технических средств для хранения в регулируемой атмосфере 9
1.2 Выводы, цель и задачи исследований 45
2 Теоретическое обоснование оптимальных режимов работы газоразделительной установки при создании и поддержании в камерах фруктохранилища необходимого газового состава 48
2.1 Теоретический анализ процесса создания в камере заданных газовых режимов 48
2.2 Оптимизация подбора газоразделительной установки в зависимости от размеров камер и степени их загрузки 56
2.3 Оптимизация процесса снижения в камере кислорода на начальном этапе 58
2.4 Оптимизация настройки газоразделительной установки для поддержания заданных газовых режимов в камере в процессе хранения 65
2.5 Выводы 69
3 Программа и методики экспериментальных исследований и производственных испытаний 70
3.1 Программа исследований 70
3.2 Методики исследований 70
3.2.1 Методика лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при продувке средой от газоразделительной установки 70
3.2.2 Методика исследования влияния различных способов поддержания заданных газовых режимов на сохранение качества яблок 73
3.2.3 Методика производственных испытаний газоразделительной установки 81
4 Экспериментальные исследования 84
4.1 Лабораторные исследования процесса формирования заданных газовых режимов способом продувки средой от газоразделительной установки 84
4.2 Влияние различных способов создания и поддержания заданных режимов на сохранение качества плодов 88
4.2.1 Жигулёвское 88
4.2.2 Северный синап 92
4.2.3 Мартовское 96
4.3 Выводы 100
5 Производственные испытания, технико-экономическая оценка и рекомендации производству 100
5.1 Производственные испытания газоразделительной установки 101
5.2 Технико-экономическая оценка 106
5.3 Рекомендации производству 111
5.4 Выводы 112
Общие выводы 113
Список использованных источников 116
Приложения 137
- Развитие технологии и технических средств для хранения в регулируемой атмосфере
- Теоретический анализ процесса создания в камере заданных газовых режимов
- Методика лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при продувке средой от газоразделительной установки
- Лабораторные исследования процесса формирования заданных газовых режимов способом продувки средой от газоразделительной установки
Введение к работе
Свежие фрукты являются источником ценных витаминов и других биологически активных веществ, необходимых для поддержания здоровья человека. Поэтому Концепцией государственной политики в области здорового питания населения на период до 2005 г., принятой Правительством РФ, предусматривается совершенствование систем возделывания, хранения и доведения плодов и ягод до потребителя.
Ежегодное производство плодов в нашей стране составляет около 1,5 млн.т. [1], однако потери при хранении составляют более 30%. В результате в зимне-весенний период более 50% фруктов поставляется из-за рубежа. Таким образом, по этому ценному продукту, необходимому для поддержания здоровья человека, страна испытывает высокую зависимость от импорта.
В экономическом плане хранение выращенной продукции имеет исключительно важное значение для плодоводческих хозяйств, поскольку определяет конечный доход от выращенной продукции. Это обусловлено тем, что стоимость плодов в сезон уборки и последующие 1...2 месяца, вследствие «затаваривания» рынка, очень низкая, но уже через 5-6 месяцев она возрастает более чем в 2...3 раза. В процессе доведения продукции до потребителя важную роль играет также и предреализационная обработка плодов, в частности, их сортирование и упаковка в розничную та-РУ [2, 3, 4].
Высокие потери при хранении яблок в плодоводческих хозяйствах страны обусловлены тем, что применяется в основном устаревшая технология - обычное холодильное хранение. Как показала мировая практика наилучшее сохранение качества плодов с минимальными потерями может обеспечить только технология хранения в регулируемой атмосфере (РА), суть которой заключается в том, что продукцию хранят в герметичных холодильных камерах при пониженной концентрации 02 (1,0...2,5%) и повышенной - С02 (1,0...3,5%). В результате происходит значительное замедление всех метаболических процессов, протекающих в плодах, и, как следствие этого, продлеваются сроки их хранения, повышается устойчивость к болезням и максимально сохраняются вкусовые и пищевые достоинства.
В целом достигут определённый прогресс в совершенствовании этой технологии, благодаря работам отечественных исследователей: Метлицкого Л.В., Колесника А.А., Сальковой Е.Г., Гудковского В.А., Ципруш Р.Я., Седовой З.А. и др., а также зарубежных: Blanpied G.D., Dilley D.R., Lau O.L., Sharpies R.O., Lidster P.D., Lange E.P., Bohling H., Johnson D.S., Little C.R., Kupferman E.M. et.al. Однако реальное экономическое положение производителей фруктов в нашей стране, появление новых форм собственности вызывают необходимость научного обобщения опыта по этой проблеме с разработкой новых экономичных технологий, требующих меньших ресурсов и энергозатрат.
Эффективность технологии хранения в РА во многом определяется технологическими и техническими решениями оборудования для формирования и поддержания заданных газовых режимов в камерах холодильника. Исследованиями по созданию и обоснованию режимов эксплуатации такого оборудования занимались отечественные исследователи: Семашко В.Я., Тяжко-роб А.Т., Чекалов Л.Н., Харитонов В.П., Иванов С.А., Серебряков В.Н., Ильинский А.С, а также зарубежные: Marcellin P.J., Bartsch J.A., Malcom G.L., Bishop D.J., D'Amigo J., Henry W.P. et.al. За последние годы достигнуты значительные успехи в этой области. Так, для формирования газовых сред разработаны экологически безопасные газоразделительные установки, получающие азот из атмосферного воздуха путём молекулярного разделения с использованием мембранной или адсорбционной технологий. Однако научно обоснованных методов подбора и эксплуатации этих дорогостоящих установок до сих пор не разработано.
Таким образом, разрешить проблемную ситуацию повышения эффективности использования технических средств и технологии хранения в регулируемой атмосфере известными научными подходами при отсутствии необходимых методов, средств и знаний невозможно.
Целью данной работы являлось - теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных режимов работы газоразделительных установок при создании и поддержании газовой ере-
ды в камерах и повышение эффективности технологии хранения яблок.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
> Математическая зависимость концентрации кислорода в ка
мере от величины потока продувки, концентрации в нём Ог,
степени загруженности камеры и интенсивности дыхания
плодов.
Номограмма для подбора газоразделительной установки, параметры которой оптимально соответствуют размерам камер и степени их загруженности.
Алгоритм настройки концентрации Ог в выходном потоке газоразделительной установки, обеспечивающий оптимизацию скорости вывода камеры на газовые режимы и снижение энергозатрат на 20...30%.
Аналитические выражения для определения оптимальных настроек газоразделительной установки, обеспечивающих поддержание в процессе хранения в камере с определенными количеством продукции и интенсивностью дыхания заданных концентраций СОг и Ог методом постоянной продувки.
Результаты экспериментальных исследований процесса снижения концентрации 02 в камере при её продувке газовой средой от газоразделительной установки.
«
Закономерности сохранения качества яблок при хранении в динамической регулируемой атмосфере.
Результаты производственных испытаний и оценка технико-экономической эффективности.
Развитие технологии и технических средств для хранения в регулируемой атмосфере
Хранение в регулируемой атмосфере (РА) в соответствии определением, данным в международных стандартах ISO [5, 6], является дальнейшим совершенствованием технологии холодильного хранения и дополнительно предусматривает поддержание в герметичных камерах пониженной концентрации кислорода и повышенной — углекислого газа. Такие условия обеспечивают значительное замедление всех метаболических процессов, протекающих в плодах, в результате чего продлеваются сроки их хранения, повышается устойчивость к болезням и максимально сохраняются их вкусовые и пищевые достоинства [7].
Это самая прогрессивная технология для длительного хранения фруктов. В странах с развитым садоводством (США, Италия, Голландия, Бельгия, Германия, Англия, и др.) в РА хранят практически весь урожай яблок и груш, предназначенных для потребления в свежем виде [8].
С начала первого коммерческого применения до настоящего времени эта технология прошла значительный путь развития от простого способа до технологии высокого уровня [9].
Первое название, которое в 20-х годах английские учёные Ф.Кидд и С.Вест дали этому способу хранения, было - «газовое хранение». Оно воспринималось несколько негативно, поскольку возникали ассоциации с применением газов, не безопасных для здоровья человека.
Несколько позже американский исследователь Роберт Смок предложил более удачное название - «регулируемая атмосфера». Оно, кроме нейтральности восприятия, точнее отражает и суть технологии, так как в камере находится та же атмосфера, только с изменённым содержанием 02 и СОг. Это название и утвердилось в мировой технической литературе. В нашей стране долгое время использовали термин «регулируемая газовая среда» и аббревиатуру «РГС».
Влияние газового состава атмосферы на продление сроков хранения убранного урожая было известно очень давно. Так в работе [10] отмечается, что имеются сведения об использовании египтянами и самаритянами еще во втором веке до нашей эры закрытых известковых склепов для хранения продукции.
Первое опубликованное исследование по хранению в атмосфере с измененным газовым составом принадлежит французу Дж. Бернарду, который в 1819 г. установил, что убранные плоды и овощи поглощают 02 и выделяют С02 [11]. Он также выявил, что дозревание фруктов при хранении в атмосфере без кислорода практически останавливается, но при их переносе в обычную ат мосферу - возобновляется. В безкислородной среде он хранил персики, сливу и абрикос 28 дней, а яблоки и груши — 3 месяца.
Основоположниками технологии хранения фруктов в регулируемой атмосфере в зарубежной литературе [12, 13, 14] считают английских ученых Ф.Кидда и С.Веста. В 1918 г в Кэмбриджском университете они провели первые опыты по «газовому хра нению» яблок. В 1920 г. они организовали проведение исследований по проверке своих лабораторных результатов в полупромышленных условиях в Хистоне. После этого они опубликовали ряд работ по хранению яблок в атмосфере с различными концентрациями С02, 02 и азота [15, 16, 17, 18, 19, 20].
В Северной Америке исследования по хранению в РА яблок, груш и плодов косточковых культур были начаты в середине 1930-х годов профессором Робертом Смоком [21]. В нашей стране Я.Я.Никитинский и В.В.Загорянский в 1914 году в микробиологической лаборатории бывшего Московского коммерческого института начали изучать хранение апельсинов в атмосфере с повышенным содержанием СОг [22]. Дальнейшего развития эти исследования в то время не получили. В последующем исследования по хранению в РА были начаты в Гипронии-сельпроме (И.Л.Волкинд и др., 1966), Институте биохимии им. Баха (Л.В.Метлицкий, Е.Г.Салькова, 1969), в Казахском НИИ плодоводства и виноградарства (В.А.Гудковский, 1970), в Московском институте народного хозяйства им.Г.В.Плеханова (А.А.Колесник, 1973), в Грузии (Г.А.Макашвили, 1975), в Молдавии (Р.Я.Ципруш, 1976, Е.П.Широков, 1978).
Коммерческое применение технологии хранения в РА началось в Англии в 1930 г., в США - с 40-х годов. Несколько позднее её стали применять в европейских странах: Италии, Голландии, Бельгии, Франции, Германии и др.
В тот период использовали простейший вариант технологии, основанный на биологическом способе снижения в камерах концентрации кислорода [23]. Плоды загружали в камеру и проводили охлаждение. Затем закрывали и герметизировали дверь. Снижение концентрации Ог в камере осуществлялось за счёт дыхания плодов. Выделяемое плодами СОг поглощалось известью или установками с использованием воды, рассола или химических растворов.
Теоретический анализ процесса создания в камере заданных газовых режимов
Таким образом, получено уравнение (2.11), определяющее зависимость концентрации 02 в камере (Кко:) пт времени при ее продувке потоком Qy с концентрацией Куог. Из этого уравнения видно, что снижение С 2 в камере будет проходить тем интенсивнее, чем больше подаваемый в нее поток от установки (Qy) и ниже концентрация 02 (#о2) в нём.
На представлена динамика снижения концентрации кислорода в камере вместимостью 200 т (Vk= 500 м3) при продувке ее установкой УРГС с концентрациями Ог в ее выходном потоке 0,05; 0,03 и 0,01 мольных долей. На данном и последующем графиках, а также при обсуждении в тексте, для концентрации кислорода используется принятая в технике размерность - объёмные проценты.
Как видно из этого графика, наиболее интенсивно Ог удаляется в начальный период. По мере же приближения концентрации в камере к соответствующему значению в потоке подаваемом от установки, т.е. при уменьшении величины (К 02 - К?о2) эффективность удаления О2 резко снижается.
Более наглядно и безотносительно размеров камеры и величины потока продувки динамику снижения концентрации кислорода в ней можно представить как его изменение в зависимости от безразмерного параметра - числа газообменов в камере п = t-Qy/Vk (рис.2.3).
Использование безразмерного параметра п дает возможность отвлечься от конкретных значений производительности установки и свободного объема камеры и получить решение в общем виде.
Учитывая что начальный момент времени концентрация кислорода в камере равна 21%, для каждой концентрации К?о2 максимальное снижение в камере 02 , которое достигается через 6 воздухообменов в ней, равняется (21 - К? от) Поэтому зависимость доли максимально возможного снижения для любой концентрации Куог от числа воздухообменов будет определяться следующим выражением.
Как видно из графика, за время первого газообмена доля максимально возможного снижения концентрации 02 составляет 63,2%, за время второго - 23,3%, за время третьего - 8,5%, за время четвертого - 3,2%, за время пятого - 1,2% и за время шестого -0,4%.
Поскольку газоразделительные установки являются наиболее дорогостоящим компонентом оборудования для хранения в РА, правильный выбор необходимой производительности генератора для конкретных размеров камер холодильника и требований технологии является очень важным.
Для выбора газоразделительной установки, параметры которой позволят обеспечить снижение 02 в камерах конкретного размера за необходимый период времени, разработана номограмма [166]. Она состоит (рис.2.5) из комбинации 3-х графиков.
Первый график представляет собой семейство кривых, определяющих зависимость концентрации кислорода в камере от количества газообменов в пей при различных концентрациях 02 в подаваемых в неё азотных потоков (5,0; 4,0; 3,0; 2,0 и 1,0%).
На втором графике расположены зависимости необходимого количества газовой (азотной) среды для различного количества газообменов для камер различной вместимости.
На третьем графике представлены зависимости количества газовой среды от времени для различных входящих в камеру потоках.
В качестве примера рассмотрим какую производительность должна иметь установка, если требуется снизить концентрацию 02 до 3,5% в камере со свободным объёмом 660 м (300 т) за 24 часа при продувке её потоком с концентрацией азота 98%.
Для этого на графике 1 со значения конечной концентрации в камере 3,5% проводим горизонтальную линию до пересечения с линией для концентрации азота в потоке установки 98% (2% Ог). Эта точка соответствует 2,6 газообменам камеры. Из неё спускаемся вниз до пересечения с графиком для камеры со свободным объёмом 660 м3). Эта точка соответствует подаче в эту камеру 1716 м газовой среды. Из этой точки проводим горизонтальную линию вправо. На правом графике проводится вертикальная линия со значения времени продувки 24 ч (заданное время снижения Ог). Пересечение этих двух линий и будет соответствовать необходимой производительности установки. Для данного примера установка должна иметь производительность 70 м /ч при концентрации азота 98%.
Таким образом разработанная номограмма позволяет быстро определить необходимую производительность газоразделительной установки, которая позволит снизить концентрацию Ог в камере конкретных размеров до заданного уровня за требуемое время.
Ранее мы установили (см. уравнение 2.11), что снижение концентрации кислорода в камере будет проходить тем быстрее, чем больше подаваемый в нее поток и меньше концентрация Ог в нём. При этом следует учитывать, что производительность газоразделительных установок при их настройке на более низкие концентрации Ог сильно снижается (рис.2.6).
Методика лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при продувке средой от газоразделительной установки
Исследования процесса снижения концентрации кислорода в камере при её продувке газовой средой от газоразделительной установки проводили методом экспериментального моделирования на специальном стенде (рис.3.1). Для этого использовали мембранную газоразделительную установку небольшой производительности и
контейнеры (120 и 200 л), по форме соответствующие типичной камере производственного фруктохранилища.
Вначале определяли производительность установки при различных концентрациях 02 в выходном потоке. Для этого включали компрессор и в соответствии с заводской инструкцией выжидали некоторое время, необходимое для установления его номинальных режимов. Затем плавно уменьшая выходное отверстие регулировочным вентилем расходомера 4 добивались такого положения, при котором концентрация 02 по газоанализатору 2 составляла 5,0% об. Для этого режима по расходомеру считывали производительность установки. Затем в такой же последовательности определяли производительность установки для концентрации Ог в потоке установки при 4,0; 3,0; 2,0 и 1,0 % об. По полученным данным по формуле 2.19 рассчитывали значения текущей концентрации ( в камере, при которой установку следует переключать на более низкую концентрацию.
После этого проводили эксперимент по снижению в контейнере концентрации кислорода с использованием теоретически обоснованного алгоритма изменения концентрации Ог в выходном потоке газоразделительной установки.
В качестве контрольных вариантов проводили также эксперименты по снижению концентрации кислорода в контейнере при его продувке потоками от установки со стационарными концентрации Ог 2,0 и 3,0%.
Исследования проводили на основных сортах ЦЧЗ РФ: Жигулёвское, Северный синап и Мартовское. Выбор этих сортов, кроме их широкого распространения, был обусловлен тем, что они имеют разные сроки созревания, потенциалы лёжкости и специфические особенности при хранении. Жигулевское - сорт осенне-зимнего срока созревания, имеет относительно невысокий потенциал лёжкости. Северный синап и Мартовское — сорта зимнего срока созревания, имеют достаточно высокий потенциал лёжкости, подвержены загару.
Жигулевское Сорт селекции Куйбышевской зональной опытной станции садоводства (Боровинка х Вагнера призовое). В Центрально-Черноземной зоне осеннего срока созревания.
Плоды крупные, уплощенно-округлой формы, с широкими сглаженными ребрами, часто немного бугорчатые. Блюдце обычно глубокое и широкое. Чашечка большая, обычно широкораскрытая. Воронка довольно глубокая и очень широкая, с негрубой оржав-ленностью кожицы. Плодоножка средней длины, выдается за пределы воронки. Основная окраска зеленовато-желтая, покровная — в виде карминно-красного полосатого румянца по оранжево-красному фону на большей части плода. Мякоть желтоватой окраски, плотная, сочная, кисло сладкого хорошего вкуса, ароматная. Основные физиологические заболевания плодов при хранении — разложение от старения, побурение сердцевины. Устойчивы к низкотемпературным заболеваниям.
Северный синап Сорт селекции ВНИИ садоводства им. И.В. Мичурина (сеянец сорта Кандиль-китайка), позднезимнего срока созревания.
Плоды средней величины, продолговатой, слабоконической (боченковидной) формы, обычно с несимметричной верхушкой, почти без ребер. Блюдце мелкое. Чашечка закрытая. Воронка широкая, мелкая, без оржавленности. Плодоножка средней длины или короткая, средней толщины. Основная окраска желтовато-зеленая, покровная — в виде буровато-красного румянца на меньшей части плода. Кожица гладкая. Мякоть белая или зеленоватая, плотная, сочная, кисло-сладкого вкуса. Основные потери при хранении связаны с загаром. Устойчив к низкотемпературным заболеваниям и грибным гнилям.
Мартовское — Сорт селекции ВНИИС им. И.В.Мичурина (Ме-кинтош х Антоновка обыкновенная), зимнего срока созревания. Урожайный, зимостойкий, среднеустойчив к парше. Плоды обладают высокой биологической ценностью и хорошими товарными качествами.
При хранении, в основном, поражается загаром, разложением от старения, сильно реагирует на низкие температуры хранения (0...+1С).
Определение твердости ткани плода Твёрдость плодов измеряли с помощью пенетрометра (FT 327), используя плунжер диаметром 8 мм [169]. С двух противоположных сторон каждого плода ножом делали срезы кожицы и верхнего слоя эпидермиса диаметром 10... 15 мм. Плод фиксировали, вдавливали в него под прямым углом плунжер до метки и снимали показания прибора выраженные в килограммах.
Определение титруемой кислотности Титруемую кислотность определяли титрованием экстракта раствором 0,1 н щелочи в присутствии индикатора по методике А.И. Ермакова (1978).
Из средней пробы свежих размельченных плодов брали навеску 1 г, растирали в ступке, экстракт количественно переносили в коническую колбу. Титровали раствором 0,1 н NaOH в присутствии 4...5 капель фенолфталеина до розового окрашивания, применяя точные бюретки.
Для вычисления кислотности количество щелочи, пошедшей на титрование пробы, переводили точно в 0,1 н раствор, пользуясь коэффициентом нормальности (поправкой к титру). Кислотность выражали в процентах для яблочной кислоты. Для этого результат умножали на коэффициент 0,67 (1 см 0,1 н раствора щелочи соответствует 6,7 мг яблочной кислоты). Расчет поправки к титру: 10 мл 0,1 н НС1 (фисканал) титруют NaOH (4,6 г на 1л Н20). 10 мл 0,1 н НС1 делится на количество NaOH, пошедшего на титрование.
Лабораторные исследования процесса формирования заданных газовых режимов способом продувки средой от газоразделительной установки
Экспериментально полученная зависимость производительности лабораторной газоразделительной установки от настроенной концентрации Ог в выходном потоке представлена на рис.4.1. Как видно из этого графика производительность установки очень сильно зависит от концентрации Ог и достаточно близка к линейной.
Экспериментальные зависимости концентрации кислорода в контейнерах со свободным объёмом 120 л при его продувке азотной средой от газоразделительной установки при стационарных (2 и 3%) и оптимизированных настройках (табл.4.1) концентрации О2 в выходном потоке представлены.
Из этого графика видно, что снижение концентрации кислорода в контейнере до уровня 3,0% при статической настройке Ог в выходном потоке установки (кривая 1) составляет 18,2 ч, а при настройке по оптимизированному алгоритму (кривая 3) - 14,4 ч. То есть применение алгоритма оптимизации на 21% сокращает время снижения концентрации кислорода до заданного уровня. При этом значения концентрации кислорода в контейнере полученные эксперименталь но по алгоритму оптимизации (кривая 3) и полученные по теоретической модели (кривая 4) отличаются на 4...5%.
В экспериментах с 200-литровым контейнером (рис.4.3) применение алгоритма оптимизации сокращает время снижения концентрации кислорода до заданного уровня на 24%.
Таким образом, экспериментальные данные лабораторных исследований хорошо согласуются с полученной математической моделью процесса. Сходимость экспериментальных данных с расчётными значениями по модели составляет 3...5%.
Исследования проводили на основных сортах ЦЧЗ - Жигулёвское, Северный синап и Мартовское.
Сорт осеннего срока созревания, потенциал лёжкоспособно-сти относительно невысокий. При длительном хранении плоды подвержены разложению, в слабой степени загару.
Обобщённые результаты по сохранению качественных показателей сорта Жигулёвское в различных условиях в зависимости от сроков хранения представлены в таблице 4.2.
В условиях обычной атмосферы такой показатель как твёрдость, который характеризует сочность и так называемую «хру-стящесть» плода, довольно сильно снижается (рис.4.4.).
Применение статической регулируемой атмосферы в значительной степени замедляет снижение твёрдости. Лучшее сохранение твёрдости плодов обеспечивается в условиях динамической регулируемой атмосферы. Это объясняется тем, что в условиях динамической РА при постоянной продувке контейнеров азотной средой из атмосферы окружающей плоды выносятся продукты их метаболизма, которые ускоряют дозревание и перезревание плодов.
Эксперименты по определению естественной убыли массы плодов показали, что в вариантах с динамической РА значения этого показателя не отличаются от значений в вариантах со статической РА. В вариантах же хранения в обычной атмосфере убыль массы почти в два раза больше.
Таким образом, проведённые эксперименты показали, что для сорта Жигулёвское динамическая РА обеспечивает лучшее сохранение качественных показателей, чем статическая РА.
Сорт имеет достаточно хорошую лёжкоспособность, в слабой степени подвержен загару. В таблице 4.3. сведены обобщённые результаты по сохранению качества плодов этого сорта в различных условиях в зависимости от сроков хранения.
