Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обоснование разработки способа получения продукта на основе сахара-песка 9
1.1 Актуальность производства продуктов функционального назначения 9
1.1.1 Производство низкокалорийных продуктов питания с применением натуральных подсластителей 9
1.1.2 Выбор и обоснование сахара-песка как основы продуктов функционального назначения 10
1.1.3 Мировой ассортимент производства подсластителей 13
1.2 Стевиозид как функциональная добавка в пищевых продуктах 19
1.2.1 Характеристика стевиозида 20
1.2.2 Технологические свойства и использование стевиозида
1.3 Техника и применение вибрирующего слоя при введении добавок..25
1.4 Обоснование выбора способа нанесения добавок на поверхность кристаллов сахара-песка 32
1.5 Цель и задачи исследования 35
ГЛАВА II. Методики экспериментальных исследований 38
2.1 Характеристика исходных веществ 38
2.2 Методы экспериментальных исследований
2.2.1 Приготовление модельных сахарсодержащих и сахарных растворов 38
2.2.2 Приготовление модельных растворов стевиозида 39
2.2.3 Измерение показателя преломления водных и этанольных растворов стевиозида 40
2.2.4 Исследование электрической проводимости водных и водно-сахарных растворов стевиозида 40
2.2.5 Исследование растворимости сахарозы в водно-стевиозидных системах 42
2.2.6 Измерение плотности растворов стевиозида 44
2.2.7 Измерение динамической вязкости водных растворов стевиозида
2.2.8 Измерение поверхностного натяжения водных и водно-сахарных растворов стевиозида 46
2.2.9 Дисперсионный анализ аэрозолей растворов стевиозида 48
2.2.10 Ситовой дисперсионный анализ сахара-песка 50
2.2.11 Методика изучения скорости движения кристаллов сахара-песка по поверхности и внутри вибрирующего слоя...50
2.2.12 Измерение порозности вибрирующего слоя сахара-песка 54
ГЛАВА III. Исследование физико-химических свойств водных и водно-сахарных растворов стевиозида 55
3.1 Изучение физико-химических свойств растворов стевиозида 55
3.1.1 Значения показателей преломления водных и этанольных растворов стевиозида 55
3.1.2 Удельная электрическая проводимость растворов стевиозида и сахаро-стевиозидного продукта в зависимости
от концентрации стевиозида 57
3.1.3 Исследование растворимости сахарозы
в водно-стевиозидном растворе 62
3.1.4 Плотность растворов стевиозида 65
3.1.5 Влияние температуры и концентрации на динамическую вязкость водных растворов стевиозида 66
3.1.6 Поверхностное натяжение водных и водно-сахарных растворов стевиозида 71
ГЛАВА IV. Математическое описание процесса получения сахаро-стевиозидного продукта 77
4.1 Расчет материальных потоков при получении сахаро-стевиозидного продукта 78
4.2 Моделирование режимов движения кристаллов сахара-песка
в вибрирующем слое 80
4.3 Порозность вибрирующего слоя сахара-песка 85
4.4 Модель структуры потока в процессе нанесения добавок стевиозида на поверхность вибрирующего слоя сахара-песка 88
ГЛАВА V. Технологические аспекты получения сахаро-стевиозидного продукта 97
5.1 Разработка способа получения сахаро-стевиозидного продукта 97
5.1.1 Экспериментальная установка для получения сахаро-стевиозидного продукта 97
5.1.2 Отработка технологических приемов получения сахаро-стевиозидного продукта 99
5.2 Математическое планирование многофакторного эксперимента получения сахаро-стевиозидного продукта и его оптимизация 104
5.2.1. Обоснование выбора и диапазонов изменения исследуемых факторов 104
5.2.2 Оптимизация процесса получения сахаро-стевиозидного продукта 113
5.2.3 Экспертиза сахаро-стевиозидного продукта методом модифицированных парных сравнений 115
5.3 Технологическая схема и установка для получения сахаро-стевиозидного продукта 116
5.3.1 Технологическая схема для получения сахаро-стевиозидного продукта 116
5.3.2 Установка для получения сахаро-стевиозидного продукта .121
5.4 Разработка способа контроля содержания стевиозида в сахаро-стевиозидном продукте 123
5.4.1 Методы отбора проб 123
5.4.2 Методика проведения кондуктометрического контроля содержания стевиозида в сахаро-стевиозидном продукте 124
5.5 Разработка способа получения желейных кондитерских изделий пониженной энергетической ценности с применением сахаро-стевиозидного полуфабриката 127
5.5.1 Получение желейных кондитерских изделий 127
5.5.2 Расчет энергетической и пищевой ценности желейных изделий 130
5.5.3 Расчет экономической эффективности производства желейных изделий 132
Выводы и рекомендации 135
Библиографический список
- Выбор и обоснование сахара-песка как основы продуктов функционального назначения
- Приготовление модельных сахарсодержащих и сахарных растворов
- Влияние температуры и концентрации на динамическую вязкость водных растворов стевиозида
- Математическое планирование многофакторного эксперимента получения сахаро-стевиозидного продукта и его оптимизация
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существует проблема производства пищевых продуктов пониженной энергетической ценности за счет снижения содержания в них углеводов, а также замены легко усваиваемого сахара сладкими, но низкокалорийными заменителями. Известны технологии приготовления искусственных дешевых подсластителей из нефтепродуктов Это широко известные аспартам, сахарин, цикламат, ацесульфам К и др Вместе с тем, подтверждено научно, что употребление в пищу искусственных подсластителей связано с риском для здоровья В связи с этим, перспективным и актуальным является использование натурального эффективного подсластителя - стевиозида, содержащего гликозиды, экстрагированные из листьев растения стевии. Кроме того, стевиозид обладает лечебно-профилактическими и функциональными свойствами
Вопросами обогащения кристаллов сахара-песка различными добавками витаминов, биологически активных веществ, добавками из экстрактов лекарственных растений и подсластителей занимались как отечественные, так и зарубежные ученые Среди них можно отметить В А. Чередника, В Н Жарского, М.И Егорову, М.А Суслова и др
В настоящей работе проведены исследования по разработке способа получения продукта на основе сахара-песка и ферментативно обработанного стевиозида. При этом решен ряд технологических задач по внесению, равномерному распределению малых добавок стевиозида в объеме сахарсодержащего продукта и закреплению их на кристаллической основе Одновременно это потребовало разработки новых экспрессных методов технохимического контроля распределения обогащающей добавки для возможности управления качеством и сертификации такой продукции
Разработка способа получения сахаро-стевиозидного продукта является перспективным направлением развития отечественной сахарной промышленности, расширяющим ассортимент ее готовой продукции.
Цель работы. Цель исследования заключалась в разработке способа получения продукта на основе сахара-песка и стевиозида, способа контроля содержания стевиозида в сахаро-стевиозидном продукте
В ходе исследования решались следующие задачи. - изучение физико-химических свойств раствора стевиозида. электрической проводимости, плотности, вязкости, поверхностного
натяжения водного и водно-сахарного растворов, показателя преломления водного и этанольного растворов,
исследование растворимости сахарозы в водном растворе стевиозида,
разработка способа получения сахаро-стевиозидного продукта;
разработка способа контроля содержания стевиозида в сахаро-стевиозидном продукте;
разработка пилотной установки для получения сахаро-стевиозидного продукта,
исследование средней скорости движения кристаллов сахара-песка на поверхности и внутри вибрирующего слоя,
исследование порозности вибрирующего слоя сахара;
математическое описание процесса получения сахаро-стевиозидного продукта и его промежуточных стадий;
- производственная проверка эффективности способа получения
сахаро-стевиозидного продукта
Научная новизна:
изучены физико-химические свойства растворов стевиозида плотность и вязкость водных растворов, показатель преломления водных и эта-нольных растворов, поверхностное натяжение, электрическая проводимость водных и водно-сахарных растворов в зависимости от температуры и концентрации стевиозида. По результатам статистической обработки экспериментальных данных предложены расчетные уравнения,
изучена растворимость сахарозы в водных растворах стевиозида в зависимости от концентрации стевиозида и температуры;
проведена оценка скорости движения кристаллов сахара-песка на поверхности и внутри вибрирующего псевдоожиженного слоя в зависимости от параметров вибрации и влажности сахара-песка,
разработана математическая модель процесса аэрозольного нанесения раствора стевиозида на вибрирующий слой сахара-песка, основанная на согласовании скоростей движения кристаллов сахара и объемного расхода распыляемого раствора стевиозида,
изучено влияние некоторых режимных параметров при получении сахаро-стевиозидного продукта на равномерность аэрозольного покрытия кристаллов сахара-песка и количество образуемых агломератов
Практическая значимость.
По результатам научных исследований
разработан и испытан кондуктометрический метод определения содержания стевиозида в водно-сахарных растворах (Patent Malaysia. Method for Determining Stevioside Content m Sacchanferous Substance. Application No PI 2004 3437 Malaysia) / Sergey M Petrov, Nadezda M. Podgornova, Dmitry N Varlamov;
составлен расчет материальных потоков процесса получения сахаро-стевиозидного продукта,
отработаны технологические приемы покрытия вибрирующего слоя кристаллического сахара пленкой раствора стевиозида,
- разработан и испытан в производственных условиях способ получения сахаро-стевиозидного продукта (Patent Malaysia Method for Production of a Sacchanferous substance Application No PI 2004 3932 Malaysia) / Sergey M Petrov, Nadezda M Podgornova, Dmitry N Varlamov
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии 2003 - 2006 годов, международных научно-практических конференциях-«Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004); «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2004), «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (Воронеж, 2004), «Приоритетные направления развития сахарного производства и их научное обеспечение» (Курск, 2006), «Сахар - 2006 Повышение эффективности работы сахарной промышленности» (Москва, 2006), Третьей всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2005), 6-м международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2005) Результаты работы экспонировались на П-ой Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2005» (г Новочеркасск, 05 2005 г) - 1 диплом.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 патента (Малайзия), 2 статьи в реферируемом издании
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений Работа изложена на 193 страницах, содержит 31 рисунок, 21 таблицу, библиографический список, включающий 152 источников, и 40 страниц приложений
Выбор и обоснование сахара-песка как основы продуктов функционального назначения
Природные подслащивающие вещества гликозидного происхождения получают из растений (стевия, топинамбура и других).
Основные сладкие компоненты листьев стевии - гликозиды: стевиозид, ребаудиозиды, дулкозид.
Топинамбур (земляная груша) - многолетнее растение. По химическому составу клубни топинамбура практически не отличаются от картофеля, но не имеют соланина - яда, содержащегося в сыром картофеле. Особое значение топинамбур имеет в питании больных диабетом, так как содержащийся в нём (в среднем 14 %) инулин (полисахарид, образованный остатками фруктозы, содержится в сложно цветных растениях - георгин, артишок, цикорий и других) превращается во фруктозу, а вредная для диабетиков глюкоза в составе клубней топинамбура отсутствует.
Цикорий - получают путем ферментной обработке корней цикория, содержащие инулин, в результате полученный раствор фруктозы сгущают и стерилизуют. Такой сироп содержит около 80 % фруктозы, 2 % глюкозы и около 1 % несахаров, степень сладости такого сиропа составляет 1,5 -1,8.
В мире наиболее популярными искусственными подсластителями являются: аспартам, ацесульфам К, сахарин, сукралоза.
Сахарин - некалорийный подсластитель со степенью сладости 450. В чистом виде - белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в водных растворах (до 700 г/л), стабилен, в том числе при высокотемпературной обработке продуктов. В организме человека сахарин не подвергается метаболизму, выводится в неизменном виде и по некоторым данным даже обладает некоторым бактерицидным действием. По имеющимся сведениям в некоторых странах проявляется большая осторожность в отношении сахарина.
Аспартам (Е951)-усваиваемый низкокалорийный высокоинтенсивный подсластитель, почти в 200 раз слаще сахара, имеет калорийность 3,85 ккал/г. Получается путем синтеза двух белковых аминокислот: аспарагиновой и фе-нилаланина и небольшого количества метилового эфира. По имеющимся сведениям в некоторых странах проявляется большая осторожность в отношении аспартама
Ацесульфам К (Е950) - неусваиваемый некалорийный подсластитель со степенью сладости 200. В чистом виде - белый кристаллический порошок, термически и химически устойчив, хорошо растворим в воде (до 270 г/л), с ростом концентрации скорость увеличения сладости раствора снижается, обладает быстропроявляющимся сладким вкусом, не вызывает кариеса зубов.
Сукралоза (Е955) - молекулярная формула Сі2Н]908С1з, относится к семейству хлорированных углеводов. В чистом виде - кристаллы от белого до кремового цвета (размер частиц 90 % - меньше 12 микрон), без запаха, имеют стойкий сладкий вкус без неприятного привкуса, почти в 600 раз слаще сахарозы.
В мире ассортимент сахарной продукции весьма разнообразен и подстраивается под требования потребителей. Сахар различают в зависимости от цвета, степени очистки, физического состояния, содержащихся добавок и запаха: 1) Желтый сахар содержит до 96 % сахарозы остальной состав различные аминокислоты, микроэлементы и органические кислоты. 2) Инвертный сахар, при производстве которого в качестве сырья кроме белого сахара используют клеровку желтых Сахаров II и III кристаллизации после дополнительной очистки. 3) Сахара с биологически активными добавками [65]. Иммунид - сахар, обогащенный экстрактом эхинацеи, оказывает фито-терапевтическое воздействие на иммунную систему.
Адаптин - сахар с экстрактом радиолы розовой, оказывающий тонизирующее действие. Гастрик - сахар с добавками девясила, чабреца, тысячелистника, полыни, радиолы розовой, женьшеня, эхинацеи, шиповника и боярышника. Считается, что прием гастрика благоприятно сказывается на состоянии желудочно-кишечного тракта.
Классик - сахар-рафинад с экстрактами женьшеня, боярышника, зверобоя, чабреца, эхинацеи или шиповника, душицы, элеутерококка, женьшеня и эхинацеи, такой сахар повышает сопротивляемость организма к простудным заболеваниям. 4) Жидкий сахар представляющет собой насыщенный водный раствор сахарозы, инвертного сахара или их смеси. Насчитывают около 30 сортов такого сахара. 5) Рафинадная пудра - измельченные кристаллы сахара - рафинада, размерами не более 0,1 мм, перемешенные с крахмальной пудрой, составляющей 3 - 4 % от общей массы, для предотвращения комкования при хранении. 6) Помадный сахар бывает влажный и сухой. Влажный сахар представляет собой белоснежную пасту, состоящую из рафинада смешанного с глюкозой в соотношении 9 : 1. Он растворен в воде до нужной консистенции. Сухой сахар - смесь мягких кристаллов сахарозы и инвертного сахара с добавлением воды до консистенции помадки. 7) Кристаллическая сахароза состоит из кристаллов сахарозы размером 0,5 - 1,5 мм, доля сахарозы в пересчете на сухие вещества 99,95 %, влажность не более 0,14 %. 8) Желеобразующий сахар состоит из измельченных компонентов в следующем соотношении: 98,2 % рафинированного сахара, 0,8 % яблочного пектина, 0,6 % лимонной кислоты и 0,4 % воды. 9) Быстрорастворимый сахар получают из сахарной пудры, покрытой пленкой растворенного сахара. 10) Мягкие сахара вырабатываются в Японии. Они отличаются степенью очистки, цветностью и размерами кристаллов. 11) Цельный сахар получают путем сгущения, а затем высушивания сахарного сока методом распыления [36, 37]. 12) Во Франции производят ароматизированный цветной сахар, полу 19 чаемый путем расплавления обычного сахара в экстракте из плодов и цветов. 13) В Германии получен сахар для больных сахарным диабетом. В этот сахар вводится точно определенное количество микроэлемента хрома [112,123]. 14) Известны сахара, выпускаемые под марками, такие как: «Дортела» в Чехии, представляющие собой порошкообразный продукт с добавками кофе, ванилина или ананасовой эссенции; «Кулерка» - карамелизованный сахар; «Парижский кристалл» - большие равномерные кристаллы коричневого цвета; «Кандис» - большие равномерные кристаллы. 15) В Бельгии фирма «Леббе» выпускает такие сахара «Леб-о-Жель» -состоящий из фруктов и разновидностей сахара, используется такой сахар как наполнитель для кондитерских изделий; «Ратнисноу» - сахар, покрытый пленкой из рисового крахмала и растительного масла; «Шико-Фондан» - гомогенная кристаллическая масса, состоящая из мелких кристаллов сахара, глюкозного сиропа, порошка какао и воды, такой сахар используется для глазировки кондитерских изделий [56].
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродук-тов совместно с Московским государственным университетом пищевых производств разработал технологию получения сахара в гранулированном виде непосредственно из концентрированных сиропов [8, 121].
Приготовление модельных сахарсодержащих и сахарных растворов
Исследования скорости движения кристаллов сахара-песка по поверхности и внутри вибрирующего слоя в зависимости от параметров вибрации и свойств насыпного слоя сахара проводили на экспериментальной установке, изображенной на рис. 8. Установка включала съемную цилиндрическую емкость 7 с сплошным дном, используемую для виброперемешивания, ее диаметры составляли 180, 220 и 260 мм. Виброперемешивающее устройство установки выполнено в виде крестообразной станины 3, прикрепленной к штоку эксцентрикового механизма 4 вибропривода. Емкость 7 устанавливали на крестообразную станину 3 и крепили к ней тросами 5. Вибропривод выполнен на основе электропривода 8 серии ЭТ1Е-1 и представляет собой однофазное тиристорное устройство постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения электродвигателя постоянного тока 9 марки ЭП-110/245 в диапазоне 100 - 3000 об/мин. Выходной вал электродвигателя соединяется через упругую муфту 70 с валом 77, установленным на подшипниках качения 12 и 16 механизма вибровозбудителя, позволяющего задавать величину эксцентриситета 0-10 мм, которая и соответствует амплитуде гармонических колебаний. Вибропривод установки укреплен на массивной плите 17 для гашения вибрации. Режим работы электродвигателя измеряют по постоянному току и напряжению раздельно для обмоток возбуждения и якоря посредством амперметров и вольтметров.
Параметры вибрации оценивали измерением частоты и амплитуды колебаний. Частоту определяли часовым тахометром ТЧ 10-Р (поз. 18), а амплитуду колебаний измеряли перед включением вибропривода по величине эксцентриситета вала 77 и пальца 15 штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Практически измерение эксцентриситета осуществляли измерением смещения планшайб 13, 14 друг относительно друга в радиальном направлении. Высоту насыпного слоя сахара-песка определяли линейкой с точностью до 0,5 мм.
Над емкостью 1 устанавливали веб камеру 6, которую подсоединяли к системному блоку компьютера через соединительный кабель 7. Веб камерой проводили видеосъемку движения окрашенных кристаллов по поверхности вибрирующего слоя. Результаты обрабатывали путем определения времени нахождения кристаллов сахара-песка на поверхности и внутри вибрирующего слоя. 7 б
компьютер 9 10 12 13 % 15 16 Рис. 8 Схема экспериментальной установки для изучения скорости движения кристаллов сахара-песка по поверхности и внутри вибрирующего слоя в зависимости от параметров вибрации и влажности сахара: 1 - емкость для виброперемешивания; 2 - слой сахара-песка; 3 - крестообразная станина; 4 - шток эксцентрикового механизма; 5 - крепление в виде тросов; 6 - веб камера; 7 - соединительный шнур; 8 - электропривод серии ЭТ1Е1 - 1; 9 - электродвигатель ЭП - 110/245; 10 - упругая муфта ; 11 - вал; 12, 16 - подшипники качения; 13 - ведущая планшайба; 14 - ведомая планшайба; 15 - палец; 17 - массивная плита; 18 - тахометр часовой ТЧ 10 - Р
Для экспериментальных исследований использовали товарный сахар-песок с чистотой 99,75 %, дисперсный состав сахара определяли по методике описанной в п. 2.2.10.
Сахар взвешивали на лабораторных весах общего назначения 4-го класса точности - по ГОСТ 24104, затем увлажняли до заданной влажности в эксикаторе и помещали в емкость для виброперемешивания. В емкости определяли высоту насыпного слоя сахара-песка в статике и приводили установку в работу. Поверх вибрирующего слоя сахара помещали известное число окрашенных кристаллов сахара-песка, массу которых определяли на аналитических весах АДВ-200 2-го класса точности с точностью до ± 0,0001 г.
Затем проводили видеосъемку движения окрашенных кристаллов сахара по поверхности вибрирующего слоя веб камерой 6. В результате обработки экспериментальных данных фиксировали время нахождения кристаллов сахара-песка на поверхности вибрирующего слоя, расстояние на которое продвигался кристалл до ухода в вибрирующий слой, и время нахождения кристаллов внутри вибрирующего слоя с момента погружения кристалла в слой до момента появления его на поверхности слоя. Измерения проводили при неизменных параметрах вибрации и свойств насыпного слоя сахара-песка. Процессы, связанные с изменением влажности под действием вибрации не учитывались. За конечный результат принимали среднее значение по результатам 5-ти измерений.
После обработки результатов эксперимента были получены формулы, с помощью которых рассчитывали среднюю скорость движения кристалла по поверхности (2.7) и внутри (2.8) вибрирующего слоя [101]. где w„ - скорость движения кристалла сахара-песка по поверхности вибрирующего слоя, м/с; we - скорость движения кристалла сахара-песка внутри вибрирующего слоя, м/с; R - радиус емкости для виброперемешивания, м; т - время движения кристалла сахара по поверхности вибрирующего слоя, с; 0,8 - коэффициент, учитывающий отклонение выхода кристалла из слоя на поверхность от центра радиуса емкости; 60 - секунды; Н0 - высота насыпного слоя сахара в статике, м; п - число циклов появления окрашенного кристалла сахара на поверхности вибрирующего слоя сахара и уход обратно в слой за одну минуту.
Исследование изменения порозности вибрирующего слоя сахара-песка в зависимости от параметров вибрации и свойств насыпного слоя сахара проводили на экспериментальной установке, приведенной в п. 2.2.11.
Подготовку к эксперименту проводили по методике, описанной в п. 2.2.11. Эксперимент осуществляли в следующей последовательности. Измеряли высоту насыпного слоя сахара-песка в статике линейкой с точностью до 1 -2 мм. Установку приводили в работу путем установления определенной амплитуды и частоты вибрации площадки и измеряли высоту вибрирующего слоя сахара-песка путем замера отрезка между меткой установленной на емкости, и слоем сахара в зависимости от ускорения вибрации площадки и влажности сахара. За конечный результат принимали среднее значение по результатам 3-х измерений.
Влияние температуры и концентрации на динамическую вязкость водных растворов стевиозида
Получение продукции с заданными качественными показателями имеет первостепенное значение в пищевой технологии. В сахарсодержащем продукте особенно важно равномерно распределить вводимую дисперсную добавку сателлитного компонента на поверхности каждого кристалла сахара-песка, придерживаясь равенства соотношения массы компонента к площади кристалла. Технически такой процесс может быть реализован различными способами, например, напылением дисперсионного компонента в виде аэрозоля на вибрирующий слой сахара-песка [96]. Для придания новых качественных и вкусовых свойств сахару-песку, как правило, требуется весьма малое количество компонента, который желательно наносить на поверхность и в приповерхностные слои дисперсных частиц. Очевидно, что чисто механическое нанесение компонента на вещество неэффективно, т. к. адгезионные силы не в состоянии прочно удерживать компонент на поверхности [ПО]. Поэтому массоперенос компонента через пленку растворенного кристаллического вещества с последующим удалением растворителя принципиально решает поставленную проблему. По физико-химическим признакам рассматриваемая технология относится ближе всего к новейшему направлению - на-нотехнологии, но масштаб протекающих при этом процессов относительно молекулярных размеров все еще остается приемлемым для использования феноменологической стратегии. Это обстоятельство придает методу математического моделирования лидирующую роль в исследовании, идентификации рациональных режимных параметров и прогнозировании требуемых качественных характеристик [55].
Для построения математической модели процесса получения сахарсо-держащего продукта аэрозольным нанесением раствора стевиозида на вибрирующий слой кристаллов сахара-песка использован блочный принцип, заключающийся в разбиении всей модели на отдельные логические законченные блоки, отражающие ту или иную сторону рассматриваемого процесса.
Целью процесса обогащения сахара-песка добавкой стевиозида является повышение сладости сахарсодержащего продукта в п раз по сравнению со сладостью такой же массы обычного сахара.
Для расчета материальных потоков введем следующие обозначения: Gcax - количество сахара-песка, подаваемого на вибротранспортер, кг/ч; WQ - начальная влажность сахара-песка, %; Gcm - количество раствора стевиозида, напыляемое на движущуюся массу сахара-песка по вибротранспортеру, кг/ч; J - коэффициент сладости стевиозида, показывающий во сколько раз стевиозид слаще сахара; п - порядок, определяющий во сколько раз необходимо повысить сладость получаемого продукта по сравнению со сладостью такой же массы обычного сахара; С - массовая доля стевиозида в растворе, % масс; Gnp0() - количество полученного сахаро-стевиозидного продукта, кг/ч; W - влажность полученного сахаро-стевиозидного продукта, %. Условие материального баланса следующее: Gc.ax+Gcm=Gnpm). (4.1) Расчет материальных потоков необходим для определения количества стевиозида, которое нужно нанести на кристаллы сахара-песка, чтобы получить продукт с заданной сладостью; определения влажности полученного продукта перед поступлением на сушку.
Вывод уравнения для определения массового расхода стевиозида напыляемого на движущийся слой сахара-песка производится исходя из массового расхода сахара подаваемого на вибротранспортер.
Масса стевиозида соответствующая такой же сладости, что и заданная масса сахара определяется по формуле: =%-, (4.2) где G"cm - количество порошка стевиозида содержащегося в напыляемом на движущуюся массу сахара-песка растворе, кг/ч; G % - количество сухого сахара-песка (с условной влажностью 0,4 - 0,5 %) подаваемого на вибротранспортер, кг/ч.
Для получения сахарсодержащего продукта в п раз большей сладости, чем такая же масса сахара, необходимо внести в эту массу сахара количество стевиозида, которое рассчитывается по формуле: Gl=GZ {j l). (4.3) Расход сухого сахара-песка, подаваемого на вибротранспортер, определяется по формуле: GZ=Gcax-(l- ). (4.4) Количество раствора стевиозида, напыляемого на движущуюся массу сахара-песка, определяется по формуле: 0,,- . (4.5) Сделав преобразование, используя формулы (4.3) - (4.5), получим формулу для расчета массового расхода стевиозида, напыляемого на движущийся слой сахара-песка: Gcm= f l-f. (4.6)
Количество жидкости, вносимое в массу сахара из аэрозоля ( (кг/ч), без учета испаряющейся влаги, определяется как разность массового расхода аэрозоля и сухого стевиозида находящегося в нем: Методика проведения экспериментальных исследований по определению скорости движения кристаллов сахара-песка по поверхности и внутри вибрирующего слоя в зависимости от параметров вибрации и влажности слоя сахара описана в п. 2.2.11. Результаты исследований представлены в табл. 10, по ним построена математическая модель с применением методов планирования эксперимента [9, 24, 54, 55, 84, 106, 124].
В качестве основных факторов, влияющих на скорость движения кристалла сахара, были выбраны: х\ - ускорение вибрации площадки; Х2 -влажность сахара, %.
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями проведения процесса, равномерного распределения капель раствора стевиозида в слое сахара-песка и техническими характеристиками экспериментальной установки. Таблица 10 Скорости движения кристаллов сахара-песка на поверхности и внутри вибрирующего слоя
Математическое планирование многофакторного эксперимента получения сахаро-стевиозидного продукта и его оптимизация
На рисунке 22 представлены графики зависимости равномерности распределения добавки раствора стевиозида в сахаре-песке от удельного объема вносимого раствора q, см3/кг при различных значениях среднего размера капель распыляемого раствора добавки стевиозида и значениях остальных параметров соответствующих центру плана эксперимента. Из рис. 22 следует, что с увеличением среднего размера капель распыляемого раствора до 0,088 мм равномерность распределения добавки в сахаре-песке уменьшается. Дальнейшее увеличение среднего размера капель до 0,1 мм (кривая 4 и 5) не оказывает влияния на неоднородность системы. Уменьшение равномерности распределения добавки стевиозида в сахаре-песке с увеличением среднего размера капель можно объяснить уменьшением удельной поверхности распыляемого раствора и в результате, уменьшением вероятности равномерного попадания распыляемого раствора на площадь образуемую кристаллами сахара-песка, а также образованием агломератов в местах попадания крупных капель. Увеличение удельного объема раствора стевиозида, вносимого в сахар-песок, повышает качество смешения по линейному закону. Это объясняется увеличением вероятности равномерного распределения распыляемого раствора на площадь, образуемую кристаллами сахара-песка.
На рисунке 23 изображены графики зависимости равномерности распределения добавки раствора стевиозида в сахаре-песке от интенсивности перемешивания сахара-песка /л, кг/(м -сек) при различных частотах вибрации и значениях остальных параметров соответствующих центру плана эксперимента. Из рис. 23 следует, что с увеличением интенсивности перемешивания сахара-песка ju равномерность распределения добавки стевиозида в сахаре-песке уменьшается, что объясняется небольшим временем перемешивания компонентов и большой массой сахара-песка, приходящейся на 1 м2 поверхности слоя.
Образование агломератов в процессе получения сахарсодержащего продукта особенно характерно в начальной стадии смешения компонентов, так как влажный сахар-песок, поступивший в устройство для виброперемешивания, представляет собой структурированную систему за счет образованных между кристаллами капиллярных связей, и при создании определенных условий происходит агломерация. При внешних воздействиях на структурированную систему, в частности вибрации, происходит разрушение связей, для этого необходимо затратить энергию больше, чем энергия связи.
Эта энергия складывается из энергии межчастичных взаимодействий (Ван-дер-ваальсово взаимодействие) и из работы деформирующего напряжения, обеспечивающего гидродинамическое взаимодействие частиц со средой и диссипацию энергии в жидкой фазе. Непосредственной причиной разрушения агрегата является то, что составляющие агрегат частицы находятся в слоях потока, движущихся с разной скоростью [129].
Интегральное условие разрушение связей между частицами в единице объема системы можно выразить следующим образом [127]: AU aASg w; (5.8) где т - межфазное поверхностное натяжение на границе дисперсная фаза -дисперсная среда; AS - площадь элементарного контакта частиц; д - число N контактов между частицами в единице объема дисперсной системы; Wj -суммарная энергия взаимодействия.
Из рисунка 24 следует, что увеличение начальной влажности сахара-песка до 1,15 % способствует возрастанию количества образовавшихся агломератов. По-видимому, это связано с образованием капиллярных связей между кристаллами сахара за счет избыточной поверхностной влаги, и, следовательно, с возрастанием суммарной потенциальной энергией связи кристаллов Uа. С увеличением частоты вибрации количество образуемых агломератов в процессе получения сахарсодержащего продукта уменьшается в результате разрыва связей между частицами грубодисперсной твердой фазы, так как кристаллы сахара приобретают кинетическую энергию в превышающею потенциальную энергию связи кристаллов иа. При дальнейшем увеличении начальной влажности сахара-песка до 2 % количество образовавшихся агломератов не меняется, так как образованная трехфазная система переходит в состояние, при котором соударения кристаллов подобны соударениям упругих твердых тел и их «коалесценция» становится невозможной. Во время сушки, когда влажность продукта становится равной 0,8 - 1,15 % снова происходит образование агломератов. В целом высокая начальная влажность сахара-песка является нежелательным фактором для процесса получения сахарсодержащего продукта вследствие того, что возрастает энергия на совершение процесса, и появляются сложности при сушке.
На рисунке 25 представлены графики зависимости количества образовавшихся агломератов в процессе получения сахарсодержащего продукта от среднего размера капель распыляемого раствора добавки при различных удельных объемах раствора и значениях остальных параметров соответствующих центру плана эксперимента. Из рис. 25 следует, что с увеличением среднего размера капель распыляемого раствора до 0,088 мм количество образовавшихся агломератов возрастает, при дальнейшем увеличении среднего размера капель до 0,1 мм количество образовавшихся агломератов не меняется, а увеличение удельного объема раствора вносимого в сахар-песок напротив, увеличивает качество смешения, так как образованная трехфазная система переходит в состояние, при котором соударения кристаллов подобны соударениям упругих твердых тел и их «коалесценция» становится невозможной.
На рисунке 26 изображены графики зависимости количества образовавшихся агломератов в процессе получения сахарсодержащего продукта от интенсивности перемешивания сахара-песка /л, кг/(м -сек) при различных частотах вибрации и значениях остальных параметров соответствующих центру плана эксперимента. Из рисунка 26 следует, что увеличение интенсивности перемешивания сахара-песка ju до 0,28 практически не оказывает влияние на количество образовавшихся агломератов, дальнейшее увеличение интенсивности перемешивания увеличивает количество образовавшихся агломератов. Это можно объяснить большей массой сахара-песка, приходящейся на 1 м поверхности слоя. Как уже выяснилось, скорости движения кристаллов внутри слоя примерно в 10 - 12 раз меньше скорости движения на поверхности, следовательно, кристаллы большую часть времени движутся внутри слоя с невысокой скоростью и не приобретают кинетическую энергию в достаточную для разрушения потенциальной энергии связи кристаллов иа, и чем больше интенсивность перемешивания сахара-песка, тем большая масса сахара-песка приходится на 1 м поверхности слоя и больше времени кристаллы находятся внутри слоя. Увеличение частоты вибрации уменьшает количество образовавшихся агломератов в процессе получения сахарсодержащего продукта вследствие увеличения кинетической энергии в кристаллов сахара-песка
