Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные методы и технические средства извлечения жира 12
1.1. Пищевое животное жировое сырье 12
1.2. Получение пищевых животных жиров из мягкого и твердого жирового сырья 13
1.2.1. Вытопка жира химическими способами 15
1.2.2. Аппараты периодического действия для вытопки жира, работающие по принципу конвективно-кондуктивного нагрева 17
1.2.3. Установки для вытопки жира на основе электромагнитной индукции 22
1.2.4. Электрофизические методы и технические средства обезжиривания
1.2.5. Устройства диэлектрического нагрева 30
1.2.6. Установки непрерывного действия для вытопки жира 34
1.3. Выводы по главе, цели и задачи проектирования 39
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование режимно конструктивных параметров высокочастотной установки для вытопки жира 43
2.1. Методика проектирования диэлектрической установки 43
2.2. Обоснование времени вытопки жира 44
2.3. Обоснование времени наполнения рабочей камеры высокочастотной установки сырьем 48
2.4. Обоснование времени истечения жира из рабочей камеры ВЧ установки 49
2.5 Обоснование времени истечения жира из накопителя 51
2.6. Методика оптимизации режимно-конструктивных параметров диэлектрической установки 53
2.7. Расчет конструктивных и режимно-технологических параметров диэлектрической установки 58
2.8. Выводы по главе 63
ГЛАВА 3. Разработка и проектирование диэлектрической установки для вытопки жира 65
3.1. Разработка технического средства для вытопки пищевых животных жиров 65
3.1.1. Функциональный модуль для вытопки и стерилизации жира 67
3.1.2. Технологический процесс высокочастотной вытопки жира 69
3.2.Технологический процесс производства пищевых животных жиров 70
3.3. Проектное размещение разрабатываемой установки в технологической линии производства пищевых животных жиров 73
3.4. Выводы по главе 75
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований воздействия на жировое сырье электромагнитным полем высокой частоты 76
4.1. Требование, предъявляемые к качеству пищевых животных жиров и методы их исследования 76
4.1.1. Качественные показатели и методы исследования пищевых животных жиров 76
4.1.2. Основные показатели порчи жира и способы увеличения сроков хранения жиров 79
4.2. Результаты воздействия ЭМП ВЧ на жировое сырье 80
4.2.1. Результаты экспериментальных исследований по определению скорости нагрева различных видов жирового сырья в ЭМПВЧ 80
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований по анодных и сеточных токов ВЧ установки при
обработке различных видов жирового сырья 84
4.2.3. Результаты бактериальной обсемененности различных видов вытопленного животного жира 88
4.3. Выводы по главе 94
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность внедрения технического устройства для высокочастотной вытопки жира 95
5.1. Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения высокочастотной установки для вытопки жира 95
5.2. Технико-экономическое обоснование проектируемой технологической линии производства пищевых животных жиров 102
5.3. Рекомендации по разработке и эксплуатации
высокочастотной установки 107
Общие выводы 108
Литература
- Аппараты периодического действия для вытопки жира, работающие по принципу конвективно-кондуктивного нагрева
- Обоснование времени наполнения рабочей камеры высокочастотной установки сырьем
- Технологический процесс высокочастотной вытопки жира
- Основные показатели порчи жира и способы увеличения сроков хранения жиров
Аппараты периодического действия для вытопки жира, работающие по принципу конвективно-кондуктивного нагрева
Под вытопкой понимается процесс выделения жира из жировой или костной ткани под действием тепла. Вытопку жира производят в аппаратах периодического или непрерывного действия, при этом применяются два основных тепловых способа получения жира: мокрый и сухой [52, 53, 54].
Мокрый способ переработки жирового сырья заключается в том, что в процессе термической обработки жировая ткань находится в непосредственном контакте с горячей водой или острым паром, применяемыми для нагрева сырья. При этом большая часть белков, в основном коллаген, сваривается и гидролизуется с образованием глютина (бульона). Выделяющийся из сырья жир также частично эмульгируется. В результате такой тепловой обработки получается трехфазная система: жир-шквара-бульон.
Мокрую вытопку применяют в основном для получения пищевого жира с хорошими органолептическими показателями (вкус и запах), а выход и качество шквары имеют второстепенное значение.
Мокрым способом вытапливают жир на установках РЗ-ФВТ-1 (АВЖ), "Титан", "Де Лаваль", "Центрифлоу-Маонор", "Центрибон", "Вестфалия", в автоклавах и котлах с огневым обогревом. В процессе вытопки поддерживается температура 70...90 С; давление пара 0,15...0,3 МПа. Температура горячей воды составляет 70...80 С [52, 53, 54, 55, 87, 105, 106].
Сухой способ вытопки осуществляется в аппаратах, работающих по принципу кондуктивного нагрева (непрямого контакта) как при атмосферном давлении, так и при избыточном давлении и вакууме.
Сущность вытопки жира сухим способом заключается в том, что влага, содержащаяся в жировом сырье, после разварки в процессе обезвоживания испаряется в атмосферу или удаляется под разряжением. При этом белки жировой ткани дегидратируют, становятся хрупкими, разрушаются и содержащийся в сырье жир частично выделяется, образуя двухфазную систему: сухая жирная шквара-жир. Окончательное извлечение жира при этом способе производится прессованием или центрифугированием. Жиры, полученные сухим способом, более стойкие в процессе хранения, чем полученные в результате мокрой вытопки. Сухая вытопка применяется тогда, когда важно получить большой выход жира и шквары высокого качества, а вкус и запах жира имеют второстепенное значение. Кроме того, данный метод не дает отходов в сточные воды предприятия, что также является большим преимуществом. Недостатком сухого способа является то, что при этом методе используется крупногабаритное оборудование с большой металлоемкостью, малой поверхностью теплопередачи и низким коэффициентом теплоотдачи. Из-за длительности процесса вытопки жир приобретает вкус и запах слабо поджаренного сырья. При сухом способе вытопки жира требуется большой расход пара, холодной воды и электроэнергии.
Проведенный анализ выявил следующие методы и технические средства, предназначенные для вытопки жира: 1) химические методы обезжиривания; 2) вытопка с использованием электромагнитной индукции и вибрации; 3) электрофизические методы обезжиривания (электроимпульсный метод, обезжиривание с помощью ультразвука, вытопка при воздействии токов высокой и ультравысокой частоты, обезжиривание методом прессования, вибрационный метод обезжиривания); 4) конвективно-кондуктивный метод вытопки в аппаратах периодического действия; 5) диэлектрический метод обезжиривания.
Наиболее распространенными химическими методами извлечения жира из жирового сырья являются: 1) щелочной гидролизный; 2) кислотный; 3) извлечение жиров органическими растворителями [27, 52, 53, 54, 67].
Щелочной гидролизный способ вытопки жира является наиболее распространенным из химических методов и заключается в том, что весь жир, содержащийся в жировой ткани, выделяется в один прием при нагревании измельченной жировой ткани и воздействии на нее растворами щелочей и их солей. При этом соединительные белки и межклеточные вещества жировой ткани в результате обработки слабым раствором щелочей переходят в раствор, выделяя при этом весь жир, содержащийся в сырье. В результате гидролиза образуется масса, состоящая из эмульгированного жира и водно-щелочно-белкового раствора, т.е. в результате такой обработки жир получается одного сорта.
При сепарировании эта масса легко разделяется на две фракции: жир и гидролизат (водно-белковый раствор), а при отстаивании - на три слоя: жировой, жиро водную эмульсию и водно-белковый (гидролизат). При переработке гидролизным способом используют второстепенные виды жира-сырца: кишечное сырье, свиные гузенки, межсосковую часть свиных шкур, мездру свиную машинную и жировую обрезь. Данный способ переработки жирового сырья применяют в открытых двустенных котлах с мешалкой при температуре 90... 100 С или в автоклавах под давлением 1,5 105 Па. Продолжительность всего процесса вытопки в открытых котлах составляет около 4 ч. Для проведения гидролиза используются следующие виды щелочных реагентов: каустическая сода (NaOH); кальцинированная сода (Са2С03); бикарбонат натрия (ИаНСОз); силикат натрия (Na2S03); тринатрийфосфат (Na3P04). При проведении гидролиза в открытой аппаратуре обычно используется 2,5 %-ный раствор кальцинированной соды, который добавляют в количестве 50 % к массе сырья.
Недостатком этого способа является частичная гидратация белка с образованием мыла и эмульгированием жира, что требует многократной промывки жира и приводит к потерям его с промывными водами, большому расходу воды и пара.
Кислотный способ заключается в воздействии кислот на жировую ткань при рН от 1 до 5. Нужную концентрацию водородных ионов получают добавлением не только кислот, но и кислых солей. Этот способ применяется для получения технических жиров.
Обоснование времени наполнения рабочей камеры высокочастотной установки сырьем
При проектировании высокочастотной установки необходимо обеспечить выполнение ряда условий, связанных с такими факторами, как техническая характеристика и значимость ее показателей, техническая осуществимость, простота конструкции, удобство обслуживания и ремонта, затраты времени на разработку, техническая эстетика, экономическая эффективность.
Поэтому в процессе проектирования необходимо соблюдать выполнение следующих требований: 1) обеспечение заданных технологических условий (по температурным режимам, скорости нагрева и т.д.); 2) сохранность материала и его качества (органолептические свойства); 3) обеспечение возможности согласования электрических параметров нагрузки с параметрами источника питания; 4) создание устойчивого режима работы (без пробоев, искрения); 5) достижение максимального КПД установки [46,61,62].
Выполнение этих требований связано с правильным выбором мощности установки, рабочей камеры и напряженности электрического поля, схемы электродной системы.
Количество электродов, их конфигурацию и системы расположения выбирают из целесообразности обеспечения поточной линии при максимально возможной равномерности распределения электрического поля в материале, а также обеспечения удобства в эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
Проектирование и расчет рабочего конденсатора производится в следующей последовательности: Исходными данными для расчета и конструирования рабочего конденсатора функционального модуля высокочастотной установки являются электрофизические параметры обрабатываемого материала (плотность, удельная диэлектрическая проницаемость материала, тангенс угла диэлектрических потерь, коэффициент объемного расширения и др.), производительность поточной линии производства продукции, технологические требования (время и температура процесса) и т.д.
Сырье при вытопке разлагается на два вещества: жир и шквара. Скорость образования каждого из них пропорциональна количеству сырья. х и у - количества жира и шквары, образовавшихся к моменту t. В начальный момент х=0, у=0, а через время t-60 сек х=ас, у=Ьс, где с первоначальное количество сырья. В момент t скорости образования жира и шквары будут: так как к этому моменту количество неразложившегося сырья равно с-х-у. Уравнения представляют, систему двух линейных дифференциальных уравнений первого порядка:
Для нахождения второго решения дифференцируем найденное dx выражение для х, подставляем х и — в первое уравнение системы и решаем его относительно у.
Решая систему уравнений (2.26) относительно количества получаемых компонентов определяем время вытопки жира в рабочей камере. Сумма компонентов, получаемых при обработке сырья, составляет с учетом потерь х+у=0,96с. Тогда t = logl_a_b(C Х y) = \ogl6/ (0,04) 7,21 мин. С /25 Поставляя промежуточные значения времени вытопки в систему (2.26), построены теоретические графики зависимости выхода составных компонентов сырья от заданного времени воздействия (рис.2.1).
Схема наполнения рабочей камеры. h- уровень сырья, щ Q] - производительность подачи сырья, м3/с; Q2 - производительность истечения жира из накопителя, м /с; R - радиус рабочей камеры, м; Н -высота рабочей камеры, м; dh - изменение высоты слоя сырья, м; d -диаметр выпускного патрубка, м.
Считаем, что дно рабочей камеры, являющимся низкопотенциальным электродом, выполнено перфорированным либо в виде множества коаксиальных колец. Заполненная жиром рабочая камера высотой h и площадью дна F имеет в дне отверстия для истечения жира, общая площадь которых Sce4 (рис. 2.3.). В момент / высота жира в камере над площадью Sce4 составит х. За время dt эта высота изменится на величину -dx. За это время вытечет жир объемом -Fax..
С другой стороны, этот объем жира равен объему столба жира с основанием/и высотой vdt, где v - скорость истечения, т.е. объем равен S vdt.
Технологический процесс высокочастотной вытопки жира
Жиры, как и другие пищевые продукты, должны обладать высокой пищевой ценностью, иметь высокие органолептические показатели и достаточную стойкость при хранении.
Жиры в процессе их переработки и хранения могут подвергаться различным химическим изменениям. В основе порчи жиров лежат изменения, обусловленные физическими, химическими и биологическими факторами.
Различают следующие изменения, вызывающие порчу жиров: гидролиз (повышенная кислотность, закисание); окисление с образованием перекисей, альдегидов (прогоркание - появление специфического неприятного вкуса и запаха), альдегидокислот и дикарбоновых кислот (отвердевание), кетонов (душистое прогоркание), окислот (осаливание).
Процесс окисления жиров значительно ускоряется в присутствии влаги, кислорода воздуха, света и катализаторов. Катализаторами являются следы легкоокисляющихся металлов переменной валентности (медь, железо, олово, свинец), а также органические соединения, содержащие железо, белки. Очень активными катализаторами являются ферменты, главным образом ферменты микроорганизмов. Поэтому всякое загрязнение жирового сырья, особенно бактериальное обсеменение, ускоряет процессы окислительной порчи жиров. Окисленные жиры непригодны в пищу не только из-за неприятного вкуса и запаха, но также из-за того, что в них имеются токсические продукты разрушения жиров и значительно теряется питательная ценность. В процессе окисления жира разрушаются витамины А и Е, каратиноиды и непредельные жирные кислоты.
Жиры, в которых уже начались окислительные процессы, обладают пониженной стойкостью при дальнейшем хранении. Поэтому сохранение жиров в свежем не окисленном состоянии является важнейшей задачей производства.
В настоящее время увеличение стойкости жиров достигается деаэрацией обогащенных воздухом жиров перед их хранением и в ходе переработки, а также при хранении жиров в условиях низких температур в атмосфере инертных газов. Однако из-за особенностей технологического процесса не всегда можно применять деаэрацию, инертные газы, низкие температуры, упаковку в герметичную тару и кислородонепроницаемую пленку.
Кроме выше перечисленных средств эффект замедления окислительных процессов достигается путем применения синтетических и некоторых натуральных ингибиторов окисления (антиокислителей), а также их смесей в различных соотношениях. Антиокислители замедляют окисления жиров, способствуют повышению стойкости и сохранению в них витаминов и полиненасыщенных жирных кислот, т.е. способствуют сохранению пищевой ценности жира. Однако применение различного рода синтетических антиокислителей приводит к химическому загрязнению продукта и как следствие, некоторому ухудшению качества.
В связи с этим для устранения нежелательного действия ферментов микроорганизмов, ускоряющих окислительные процессы и ухудшающие качество жиров, и увеличения продолжительности хранения получаемой продукции перспективным является применение воздействия на сырье электромагнитным полем высокой частоты, вызывающего снижение бактериальной обсемененности конечного продукта.
Результаты экспериментальных исследований по определению скорости нагрева различных видов жирового сырья в ЭМП ВЧ С целью определения режимных параметров высокочастотного нагрева были проведены экспериментальные исследования по воздействию электромагнитным полем частотой 40,68 МГц на животное жировое сырье различных видов.
Основными режимными параметрами высокочастотного нагрева, влияющими на качество конечной продукции и производительность процесса вытопки жиров, являются скорость и температура нагрева жирового сырья, зависящие от электрофизических и физико-химических свойств обрабатываемого материала.
В связи с тем, что на предприятиях мясной отрасли перерабатывается в основном сырье, получаемое от крупного и мелкого рогатого скота, свиней, а также продукции птицеводства, нами исследовались пять видов животных жиров: говяжий, свиной, сборный, костный и птичий.
Для проведения исследований использовался стандартный высокочастотный генератор ЛД 1-0,6/40 с номинальной колебательной мощностью 0,63 кВт, потребляемой мощностью 1,6 кВА и рабочей частотой 40,68 МГц. Обработка сырья производилась в рабочей камере разработанного функционального модуля высокочастотной установки с максимальным межэлектродным расстоянием между электродами конденсатора 45 мм.
Исследования проводились для трех значений напряженности электрического поля, которым соответствуют межэлектродные расстояния 45 мм, 40 мм и 35 мм при неизменных массе загрузки, высоты слоя и начальной температуре жирового сырья Гн=20...22 С. При каждом уровне напряженности электрического поля замерялась температура нагреваемого материала в заданном интервале времени с минимальной периодичностью. Каждый замер производился в трех повторностях. Для определения температуры обрабатываемого материала использовалась хромель-копелевая термопара (ХК) с преобразователем ТЭДС (рис. 4.1) [28].
Основные показатели порчи жира и способы увеличения сроков хранения жиров
При разработке высокочастотной установки необходимо согласовать режимно-конструктивные параметры функционального модуля: время обработки сырья ,объем рабочей камеры, емкость рабочего конденсатора, высоту загрузки сырья, площадь и количество колец низкопотенциального электрода с удельной мощностью, выделяемой в единице обрабатываемого материала.
Оптимальной частотой для воздействия на жировое сырье является стандартная из разрешенного предела частота 40,68 МГц. Тем самым при проектировании следует ВЧ установку, генерирующую ЭМП данной частоты.
Далее, исходя из заданной часовой производительности линии производства жиров с учетом времени обработки жиросырья в электромагнитном поле высокой частоты, оптимизируют режимно-конструктивные параметры функционального модуля, сравнивая при этом удельные мощности, рассчитываемые по физическим и электрическим параметрам сырья.
Согласование режимных параметров высокочастотной установки сводится к коррекции высоты загрузки сырья, площади и количества колец низкопотенциального электрода и времени воздействия с учетом технологических требований.
При проектировании высокочастотной установки для вытопки жира в основу были заложены требования, предъявляемые к разработке источников энергии электромагнитного поля. С учетом требований к проектированию источников энергии ЭМП и разработанной классификации конденсаторов предлагается схема технического устройства, состоящего из ВЧ генераторов и функциональных модулей. Где конденсатор выполнен в виде системы плоскопараллельных электродов. Высокопотенциальный электрод представляет собой диск, а низкопотенциальный - коаксиально расположенные кольца.
Количество колец низкопотенциального электрода, систему их расположения выбирали из целесообразности обеспечения оптимального процесса при максимально возможной равномерности распределения электрического поля, а также обеспечения удобства в эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
Источником ВЧ энергии выбрали стандартный высокочастотный генератор ЛД4-10/40, исходя из оптимизированных потребляемой мощности и частоты электромагнитного поля. Разработанная высокочастотная установка обеспечивает оптимальный технологический процесс и позволяет получать продукцию с улучшенными органолептическими показателями. Исследования по изучению воздействия на жировое сырье ЭМП ВЧ показывают, что имеется положительный технологический эффект по сравнению с контрольным вариантом. Режимно-конструктивные параметры технических средств следует оптимизировать с использованием системного подхода (среда - техническое средство) с учетом частных методик расчетов.
1. На основании анализа существующих методов и технических средств, предназначенных для вытопки жира в технологии производства пищевых животных жиров, с целью повышения качества получаемой продукции, уменьшения производственного цикла и эксплуатационных затрат, предложена принципиально новая схема технологического процесса.
2. Научно обоснованы и разработаны эффективная технология производства пищевых животных жиров и техническое средство, состоящее из стандартного высокочастотного генератора и функционального диэлектрического модуля, предназначенное для вытопки и стерилизации жира путем воздействия на сырье электромагнитным полем высокой частоты.
3. Выведены математические выражения, на основе которых оптимизированы режимно-конструктивные параметры высокочастотной установки для вытопки жира. Обоснованы время вытопки жира (433 с), время наполнения сырьем рабочей камеры функционального модуля, время истечения вытопленного жира из рабочей камеры и накопителя готовой продукции, частота электромагнитного поля (40,68 МГц) на основании которых согласованы и определены режимно-конструктивные параметры высокочастотной установки для вытопки жира, такие как объем рабочей камеры 4,99-10"2 м3, межэлектродное расстояние 0,17 м, диаметр 0,62 м и количество колец (29) низкопотенциального электрода, напряженность электрического поля 29,83...46,15 кВ/м, емкость конденсатора 2,04-10"4 Ф, удельная мощность 311,67 кВт/м , потребляемая мощность ВЧ генератора 23 кВт, глубина проникновения электромагнитной волны и доза воздействия 130,41 МДж/м3.
4. Экспериментально изучив воздействие электромагнитного поля высокой частоты на жировое сырье различных видов, доказано, что применение разработанной высокочастотной установки в технологии производства пищевых животных жиров позволяет получать продукцию с улучшенными органолептическими показателями за счет снижения бактериальной загрязненности продукции, сократить продолжительность технологического цикла, уменьшить эксплуатационные расходы. В связи с этим уменьшается себестоимость производства продукции. При этом чистый доход составляет 4001182,89 руб, а годовой экономический эффект от по внедрения высокочастотной установки для вытопки жира 23050 руб.
Поэтому, рекомендуется использование высокочастотной вытопки в технологии производства пищевых животных жиров.
Итак, основываясь на теории электромагнитного поля, высокочастотного нагрева диэлектриков и полупроводников, на физику диэлектрических материалов, электрофизические свойства жира и используя системный подход при решении вопроса, связанного с получением экологически чистого жира, нами были сформулированы научные задачи, решение которых позволяет разработать теоретические основы проектирования высокочастотной установки, состоящей из стандартного высокочастотного генератора и функционального модуля, предназначенной для вытопки и стерилизации жира в технологии производства пищевых животных жиров, внедрение которой в практику позволяет обеспечить эффект ускоренной вытопки экологически чистого жира, снижение эксплуатационных затрат, простоту эксплуатации.