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 газ о разделительной 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 газораздели тельной 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
- Оптимизация подбора газоразделительной установки в зависимости от размеров камер и степени их загрузки
- Оптимизация настройки газоразделительной установки для поддержания заданных газовых режимов в камере в процессе хранения
- Методика лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при продувке средой от газоразделительной установки
- Влияние различных способов создания и поддержания заданных режимов на сохранение качества плодов
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 наїней 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 тару [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 OX., 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: МагсеШп 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 эколо
гически безопасные газоразделительные установки, получающие
азот из атмосферного воздуха путём молекулярного разделения с
использованием мембранной или адсорбционной технологий. Од-
нако 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 зна
ний 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 02,
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 СО2 и О2 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.
Оптимизация подбора газоразделительной установки в зависимости от размеров камер и степени их загрузки
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 ней 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 спинить 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 горизонта:!ьиую линию до пересечения с линией для концентрации азота в потоке установки 98% (2% СЪ). 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 м3/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 (ем. уравнение 2.И), что снижение концентрации кислорода в камере будет проходить тем быстрее, чем больше подаваемый в нее поток и меньше концентрация СЬ в нём. При этом следует учитывать, что производительность газоразделительных установок при их настройке на более низкие концентрации Ог сильно снижается (рис.2.6). Исходя из этого очевидно, что начинать продувку камеры следует с более высокой концентрации 02 в потоке, т.е. при большей производительности установки, и затем постепенно эту концентрацию снижать, т.е. необходимо оптимизировать настройки установки. Они будут оптимальными, если в каждый момент времени обеспечивается максимально возможное снижение концентрации Ог в камере. Для определения этих условий найдем производную функции концентрации О2 в камере KkOj(0 по с из соотношения (2.11), При ПОСТОЯННЫХ ЗНачеНИЯХ Qy КУо2 ) Ro2 и Л/ Для нахождения производной правой части соотношения (2.14) воспользуемся правилом дифференцирования сложной функции. Для этого вынесем постоянный множитель за знак производной подставив в сложную функцию в качестве промежуточного аргумента U = -Qy/Vk.
Уравнение (2.14) преобразуется к следующему виду Возвращаясь от промежуточного аргумента (U) к основному (t), получим Пользуясь уравнением (2.16) можно определить скорость снижения концентрации кислорода в камере при её продувке для конкретного момента времени. На рис.2.7 представлены зависимости скорости снижения концентрации кислорода в камере со свободным объёмом Vk =500 м при сё продувке установкой УРГС с концентрациями Ог в ее выходном потоке 5,0; 4,0; 3,0; 2,0; и 1,0%. Для минимизации времени снижения Ог в камере и экономии энергозатрат этот процесс необходимо осуществлять так, чтобы скорость снижения 02 всегда была максимально возможной. Анализ этих графиков показывает, что наиболее эффективно начинать снижение кислорода в камере с настройки установки на концентрацию Ог 5,0%, затем переходить на более низкие концентрации. Момент переключения установки на более низкую концентрацию определяется исходя из равенства скоростей снижения Ог при этих двух концентрациях. Скорость снижения Ог (наклон кривой) для конкретной концентрации 02 в камере (K o2,t - f ozm) может быть получен при подстановке в уравнение (2.16) К 02л = t o2,m и / = 0. Сделав эти подстановки, получим следующее выражение Используя уравнение (2.17)можно сравнивать для каждой конкретной концентрации кислорода в камере ( о2,т) эффективность её снижения для различных настроек установки, которым соответствуют определенные значения выходных потоков установки (Qy) и связанные с ними концентрации 02 (/ ог) Поскольку производительность установки (Qy) и поглощение кислорода находящейся в камере продукции (RQ2 M) величины постоянные и не зависят от К?о2 и Qy7 процесс продувки можно оптимизировать, устанавливая концентрацию 02 в выходном потоке установки (К?о2) при которой обеспечивается максимальная скорость снижения С 2 в камере при каждом уровне концентрации в ней. Если принять, что с целью оптимизации процесса формирования в камере среды концентрацию 02 в выходном потоке будем изменять дискретно с некоторым шагом АЛГ, то момент переключения установки с начальной концентрации (КҐ02,т) на более низкую {К о2,т-д определится исходя из равенства скоростей снижения 02 в камере для этих двух концентраций
Оптимизация настройки газоразделительной установки для поддержания заданных газовых режимов в камере в процессе хранения
Для определения параметров настройки газоразделительной установки, обеспечивающих поддержание в камере заданных концентраций 02 и С02 методом постоянной продувки, рассмотрим этот процесс с точки зрения материальных балансов этих газов. Эти уравнения представлены ниже. Для удобства определения необходимого потока продувки, обеспечивающего поддержание заданной концентрации СОг в камере с конкретным количеством продукции определенной интенсивности дыхания разработана номограмма (рис.2.9). В качестве примера использования номограммы определим величину потока продувки, необходимую для поддержания 1,0%СО2 в камере, загруженной плодами 300 т с интенсивность дыхания 2,0 л СОг/т-ч. Для этого на графике 1 со значения 300 т на оси х поднимаемся вертикально вверх до пересечения с линией для интенсивности дыхания продукции 2,0 л СОг/т-ч.
Затем переходим по горизонтальной линии на график 2 до пересечения с линией для поддержания в камере 1,0% С02. Спускаясь с этой точки пересечения вертикально вниз, определяем, что для поддержания заданной концентрации СОг поток продувки для этой камеры должен быть 60 м3/ч. Таким образом, определены параметры настройки газоразделительной установки для поддержания заданных концентрация С 2 и СС 2 в камере с учётом количества и интенсивности дыхания продукции [168]. 2. Для подбора установки, параметры которой оптимально соответствуют размерам камер, степени их загруженности, разработана номограмма, состоящая из комбинации трёх графиков. 3. Разработанный алгоритм оптимизации первоначального формирования газовых режимов предусматривает по достижении определенных уровней концентрации кислорода в камере проводить изменение концентрации 02 в выходном потоке установки, что обеспечивает ускорение формирования в камере заданных режимов и снижение энергозатрат на 20...25%. 4. Для поддержания в камере заданных концентраций СОг (Ксог) и Ог (Лог) методом постоянной продувки средой от газоразделительной установки концентрация О2 в её выходном потоке должна соответствовать выражению К 2
Куог Kk02+K .02f а подаваемый в камеру поток следует определять по формуле В программу экспериментальных исследований входило: - проведение модельных лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при её продувке средой от газоразделительной установки; - исследование влияния различных способов создания и поддержания заданных газовых режимов на сохранение качества плодов. - проведение производственных испытаний 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.
Методика лабораторных исследований процесса создания в камере заданных режимов при продувке средой от газоразделительной установки
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-ленностыо 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 FhO). 10 мл 0,1 н НС1 делится на количество NaOH, пошедшего на титрование.
Для удобства рассчитывали постоянное число, на которое непосредственно умножали результат титрования (пост, число — поправка к титру х 0,67).
Влияние различных способов создания и поддержания заданных режимов на сохранение качества плодов
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. В условиях динамической РА для этого сорта также лучше сохраняется кислотность (рис.4.5), подавляется развитие загара (рис.4.6) и снижается поражение плодов разложением (рис.4.7). 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. Для этого сорта динамическая РА в сравнении со статической также обеспечивает лучшее сохранение твёрдости плодов (рис.4.9), кислотности (рис.4.10) и подавление развития загара. Так в зависимости от сроков хранения твердость и кислотность в вариантах с динамической РА на 7...12% выше, чем в вариантах со статической РА. Основные качественные показатели для этого сорта в варианте динамической РА в сравнении со статической РА имеют лучшие значения. Так твёрдость на 9...12%) выше (рис.4.13), кислотности на 7..9% выше (рис.4.14). Снижается также поражение загаром. Так после 240 дней хранения в варианте статической РА этим заболеванием было поражено 39,4% плодов, а в варианте динамической РА - только 18,4%. Полностью развитие загара не произошло вследствие сильной генотипическои предрасположенности сорта Мартовское к этому заболеванию.
Таким образом, и для сорта Мартовское динамическая РА обеспечивает лучшее сохранение качественных показателей, чем статическая РА. 1. Лабораторными исследованиями установлено, что использование алгоритма оптимизации обеспечивает ускорение снижения в камере концентрации кислорода и снижение энергозатрат на 21...24%. 2. Сходимость экспериментальных данных снижения концентрации кислорода в контейнере при его продувке средой от газоразделительной установки по алгоритму оптимизации с теоретически полученной моделью составляет4...6%. 3. Установлено, что хранение в динамической регулируемой атмосфере в сравнении со статической обеспечивает лучшее сохранение твердости плодов (на 9... 12%), кислотности — на 7...9% и снижение поражения загаром на 10...20%. 4. Способ хранения в динамической регулируемой атмосфере не оказывает существенного влияния на естественную убыль массы плодов.
