ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ

ІМ М. ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО

БИЧКОВ ЯРОСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 664.8.047 : 579.83.88

РОЗРОБКА АПАРАТА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ОБРОБКИ ПРЯНО-ЕФІРНОЇ СИРОВИНИ ПРИ РОЗРІДЖЕННІ З
НВЧ- ЕНЕРГОПІДВОДОМ

Спеціальність 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі технологічного обладнання харчових виробництв і торгівлі Полтавського університету споживчої кооперації України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Шеляков Олег Парфирович,

Полтавський університет споживчої кооперації України, завідувач Галузевою науково-дослідною лабораторією.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Погожих Микола Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри фізики та енергетики.

кандидат технічних наук, доцент

Лебедєв Іван Миколайович,

Донецький державний університет економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського,

доцент кафедри обладнання харчових виробництв

Провідна установа: Національний університет харчових технологій, кафедра технологічного обладнання харчових виробництв, м. Київ.

Захист відбудеться "15" квітня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського за адресою: 83055, Донецьк-55, Театральний проспект, 28 (3-й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського за адресою: 83017, Донецьк-17, бул. Шевченка, 30.

Автореферат розісланий "14" березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Антропова Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом проводяться ґрунтовні дослідження з використання у рецептурах (як продукції громадського харчування, так і харчової промисловості) замість закордонних прянощів місцеву пряно-ефірну сировину, що дає змогу знизити собівартість продукту без зниження його якості. Окрім того, сезонність вирощення пряних та ефірних рослин вимагає термінової їх переробки для зберігання протягом року, а збереження показників якості – обґрунтованого вибору методів та режимів сушіння. Використання пряних та ефірних рослин в процесі виробництва харчових продуктів підвищує їх смакові якості та покращує засвоєння організмом. Окрім того, таким прянощам як часник, розмарин, шалфей, білий, духмяний та чорний перець властива консервувальна дія; тмину, кропу – антисептична дія. Тому майже вся основна продукція, що випускається харчовою промисловістю: виробництво консервів, харчових концентратів (концентрати перших та других страв), різноманітних соусів, копченої м’ясної продукції та ін. має у своєму складі прянощі.

Таким чином, розробка процесу обробки пряно-ефірної сировини, за якого скоротиться тривалість сушіння, покращиться якість готового продукту, з’явиться можливість отримати додатковий продукт з властивостями функціональної добавки (конденсату випареної вологи), а також розробка спеціалізованих апаратів для реалізації такого процесу є актуальною науково-технічною проблемою, оскільки їх широкомасштабне впровадження на підприємствах харчування та харчової промисловості України створить значний економічний та соціальний ефект.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано відповідно до планів бюджетних науково-дослідних робіт Полтавського університету споживчої кооперації України (тема № 144/01 (0105U000296) "Інтенсифікація технологічних процесів харчових виробництв з використанням різних фізичних методів").

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка процесу обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом та отримання конденсату випареної вологи, обґрунтування параметрів апарата для НВЧ-вакуумного сушіння.

Для цього необхідно вирішити наступні задачі:

дослідити фактори, що впливають на ефективність процесу обробки пряних і ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом й обґрунтувати його раціональні режими;

встановити діелектричні властивості пряно-ефірної сировини при частоті 2450 МГц, початковій вологості 82...85 %, насипній густині 100...150 кг/м3 і температурі зразка 293 К для визначення глибини проникнення надвисоко-частотних полів у продукт з метою отримання рекомендованих геометричних розмірів робочої ємкості для його обробки;

розробити способи й обґрунтувати параметри узгодження навантаження на генератор надвисоких частот;

розробити математичну модель процесу обробки пряних і ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом, і перевірити її адекватність;

визначити якість сухої зелені пряних і ефірних рослин за фізико-хімічними, мікробіологічними та органолептичними показниками;

розробити проектну документацію, виготовити дослідно-промисловий зразок апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом;

розробити технічне завдання на виробництво промислового зразка апарата;

здійснити комплекс заходів щодо практичного впровадження результатів досліджень та дати оцінку економічному і соціальному ефекту впровадження апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом.

Об’єкт дослідження – процес обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом.

Предмет дослідження – експериментальні зразки обладнання для проведення процесу обробки при розрідженні з НВЧ-енергопідводом, свіжа зелень петрушки та кропу, висушена зелень петрушки та кропу, конденсат випареної вологи.

Методи дослідження. При виконанні роботи використані теоретичні та експериментальні методи дослідження, серед яких математичне моделювання, статистичні (аналіз, обробка експериментальних даних і математичний опис отриманих залежностей), стандартні методики для вимірювання фізичних властивостей свіжої зелені петрушки та кропу і висушеної зелені петрушки та кропу, нові методики для вимірювання середньооб’ємної температури продукту при обробці та рівномірності розподілу полів надвисоких частот у резонаторній камері.

Обґрунтування та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Достовірність одержаних наукових результатів, методик вимірювання, висновків і рекомендацій забезпечена використанням основних законів термодинаміки, сучасних наукових положень теорії тепломасопереносу в умовах дії полів надвисоких частот, математичних методів обробки експериментальних даних з використанням сучасних обчислювальних методів моделювання, та підтверджується адекватністю результатів теоретичних досліджень і експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

теоретично обґрунтовано можливість інтенсифікації сушіння пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом при розміщенні їх в апаратах періодичної дії в робочій ємкості;

визначено, що в процесі сушіння при розрідженні з НВЧ-енергопідводом динаміка втрати вологи продуктом має нелінійний характер, встановлено аналітичну залежність зміни вологовмісту в продукті від часу сушіння;

визначено, що при збільшенні величини розрідження тривалість сушіння в полі НВЧ змінюється за нелінійним законом, при цьому знайдено раціональну величину тиску;

визначено, що при збільшенні коефіцієнту заповнення робочої ємкості сировиною тривалість сушіння в полі НВЧ змінюється за нелінійним законом, характерним для кожного продукту, при цьому знайдено раціональну величину коефіцієнту заповнення;

вперше встановлено основні закономірності тривалості обробки пряної та ефірної сировини при розрідженні з НВЧ-енергопідводом від глибини розрідження та коефіцієнту заповнення робочої ємкості.

Практичне значення одержаних результатів:

удосконалено спосіб фракціонування пряно-ефірної рослинної сировини на тверду та рідку складові;

розроблено новий спосіб вимірювання середньооб’ємної температури зразка при проведенні НВЧ-вакуумної обробки рослинної сировини;

запропоновано новий метод вимірювання рівномірності розподілу полів НВЧ у резонаторній камері при проведенні сушіння при розрідженні з НВЧ-енергопідводом;

запропоновано раціональну технологію обробки пряних та ефірних рослин, що забезпечує високу якість готового продукту;

розроблено проектну документацію, за якою виготовлений і випробуваний дослідно-промисловий зразок удосконаленого апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом;

розроблено технічне завдання на розробку і виготовлення промислового зразка нового апарата для сушіння при розрідженні з НВЧ-енергопідводом;

здійснено комплекс заходів щодо прийняття у серійне виробництво промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом на відкритому акціонерному товаристві Полтавський машинобудівний завод "Полтавамаш".

Реалізація результатів роботи. За розробленою технічною документацією виготовлено, проведено виробничі випробування і впровадження дослідно-промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом на базі навчально-виробничого комбінату ПУСКУ, м. Полтава (акт випробувань від 7 листопада 2003 р.); технічне завдання на розробку і виготовлення промислового зразка апарата прийняте до виконання у ВАТ Полтавський машинобудівний завод "Полтавамаш" (акт від 20 січня 2004 р.); основні положення дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес ПУСКУ.

Особистий вклад здобувача. Автором особисто визначено напрямок та здійснено обґрунтування методів теоретичних досліджень, розроблена методика розрахунку та проектування апарата для НВЧ-вакуумної обробки пряних та ефірних рослин. Здобувач виконав постановку, планування та аналіз результатів експериментальних досліджень, сформулював загальні висновки роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації обговорено та схвалено на науково-практичних конференціях: "Підприємства і цехи малої потужності для переробки сільськогосподарської сировини: ефективність і особливості організації" (м. Полтава, 27-28 листопада 1997 р.), професорсько-викладацького складу Полтавського університету споживчої кооперації України (1996 – 1998 рр.), науково-практичному семінарі "Нові технології і обладнання харчових виробництв" (м. Полтава, 2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі", присвяченій 65-річчю з дня народження доктора технічних наук, професора, члена-кореспондента ВАСГНІЛ Беляєва М.І. (м. Харків, 19 листопада 2003 р.), науковій конференції викладачів і аспірантів Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського за підсумками науково-дослідної роботи за 2003 рік (м. Донецьк, 25-26 лютого 2004 р.), міжвузівській науково-практичній конференції "Проблеми техніки і технології харчових виробництв" (м. Полтава, 8-9 квітня 2004 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 11 наукових праць, у тому числі: статей у наукових фахових виданнях, що затверджені ВАК України – 4; деклараційних патентів України на винаходи – 1; тез доповідей на наукових конференціях – 6.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 162 найменування, у тому числі 13 іноземних, і додатків. Роботу викладено на 160 сторінках і 7 додатках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі досліджень, подано відомості про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі "Огляд існуючих способів сушіння пряної рослинної сировини та апаратів для їх реалізації" проаналізовано особливості процесу обробки пряної та ефірної сировини в полі НВЧ при розрідженні. Аналіз технічного рівня сучасних апаратів для сушіння пряних та ефірних рослин дозволив зробити висновок про необхідність вдосконалення існуючих сушарень. На основі теоретичного дослідження процесів тепломасопереносу в умовах розрідження з НВЧ-енергопідводом визначено напрямок дослідження процесу сушіння і удосконалення основних вузлів апаратів для обробки пряної та ефірної сировини, та необхідність проведення ґрунтовних експериментальних досліджень.

У другому розділі "Об’єкти та методики досліджень" визначено об’єкт дослідження, розроблено математичну модель тепломасопереносу та висунуто гіпотезу про існування раціональних параметрів НВЧ-вакуумного сушіння рослинної сировини, розроблено план експериментальних досліджень та визначено основні методики їх проведення. Наведено методики підготовки зразків зелені пряних та ароматичних рослин, розроблені автором нові методики визначення середньооб’ємної температури зразка та рівномірності розподілу полів НВЧ у резонаторній камері.

Методика досліджень передбачає також дослідження властивостей

готового продукту – хімічного складу, мікробіологічних, та органолептичних показників якості.

Для проведення експериментальних досліджень процесу обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом і одержання даних, що необхідні при проектуванні апарата, був створений експериментальний стенд (рис.1).

Для обробки результатів експери-менту використовувався пакет програм Mathcad, Microsoft Excel.

Рис.1. Схема стенду для проведення досліджень обробки пряних та ефірних культур при розрідженні з НВЧ-енергопідводом: 1 – магнетрон;
2 – резонаторна камера НВЧ-печі; 3 – стіл з ємкістю для сировини; 4 – теп-лообмінник;
5 – ваги ВН-2Ц13; 6 – ємкість для сконденсованої вологи; 7 – вакуумний насос НВР-1,25Д;
8 – термопари ХК-0,25; 9 – потен-ціометр КСП-4.

У третьому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведено результати досліджень впливу маси зразка (М), глибини розрідження (р) та коефіцієнта заповнення робочого об’єму (Кз) на час висушування (ф) до вологовмісту 11-12 % та максимальну температуру, до якої розігрівався зразок під час обробки (Тmax). Експериментальні дослідження проводилися у два етапи:

- попереднє проведення експериментальних досліджень впливу маси зразка, глибини розрідження та щільності заповнення робочого об’єму для сировини на час обробки з визначенням раціональних значень;

-

В резонаторній камері НВЧ-печі лабораторного стенду було зроблено додаткові отвори і внесено робочий стіл для розміщення ємкості з продуктом, що могло порушити її функціональність, тому першими проводились дослідження рівномірності розподілу полів НВЧ у резонаторній камері. Дані результатів досліджень дозволили зробити висновок, що нерівномірність нагрівання контрольних зразків, які розміщувались у різних геометричних точках простору резонаторної камери, не перевищує 1,48 %, з чого можна стверджувати, що внесені доповнення та зміни у конструкцію НВЧ-печі не спричинили порушення рівномірності розподілу полів надвисоких частот в резонаторній камері і можуть бути рекомендовані для подальшого впровадження.

В процесі сушіння з сировини видалялася волога, котра відкачувалася вакуумним насосом за межі резонаторної камери НВЧ-печі. Внаслідок цього порушувалось узгодження навантаження на магнетрон, що неминуче призвело б до виходу його з ладу. Для вирішення цієї проблеми використовувався баласт (вода). Для визначення кількості та інтервалу введення баласту були проведені експериментальні дослідження з визначення динаміки сушіння (рис.2), котрі показали, що найбільш інтенсивно волога випаровувалась у перші хвилини сушіння.

а) б)

Рис.2. Втрата вологи зразком під час сушіння при тиску 1104 Па з НВЧ-енергопідводом: а) петрушки; б) кропу.

Враховуючи отримані результати, було прийнято рішення про початок введення баласту (води) до резонаторної камери НВЧ-печі, починаючи з 30 с обробки в кількості 20 мл та поступове збільшення об’єму на протязі 330 с до 40 мл.

За отриманими експериментальними даними за допомогою програми Mathcad було проведено апроксимацію одержаних результатів та отримано залежність зміни вологовмісту від часу сушіння, що виражається експоненційними рівняннями для кропу (1) та петрушки (2)

, кг/кг, (1)

, кг/кг, (2)

де М – вологовміст, кг/кг; – час сушіння, с.

При проведенні досліджень динаміки процесу сушіння було помічено, що тривалість сушіння зразків різної маси має нелінійний характер. Для визначення можливих раціональних значень величини маси наважки було проведено серію експериментів. За критерій оптимальності було прийнято тривалість обробки. За отриманими результатами можна зробити висновок, що
за даних умов обробка зразків, масою менше 0,05 кг скорочує тривалість сушіння, але вимагає введення в резонаторну камеру НВЧ-печі додаткового баласту (води) для збалансування роботи магнетрона. Обробка зразків, масою більше 0,065 кг збільшує тривалість сушіння. Раціональна маса зразків знаходиться в межах 0,05...0,065 кг.

Оскільки була запропонована нова методика вимірювання середньооб’ємної температури, котра не має аналогів і достеменно не досліджена, постало питання проведення серії експериментів для підтвердження достовірності таких вимірів. За даними експериментальних досліджень (рис.3) можна зробити висновок, що під час роботи магнетрона дія полів надвисоких частот спричиняє спотворення показань термопар 1 і 2, що знаходяться в зоні дії полів НВЧ, але при короткочасному вимиканні магнетрона, через малу власну інерційність, вони фіксують температуру, близьку до дійсної. Слід зазначити, що показання термопари 3, котра розміщена за екраном не мали стрибкоподібних спотворень та не відрізнялись від показань термопар 1 і 2 на час вимикання магнетрона (20 с) більше, ніж на 0,6 %.

Проведені експериментальні дослідження доводять достовірність вимірів температури даним способом та підтверджують придатність такого методу для використання у подальших експериментальних дослідженнях.

Рис.3. Показання термопар при вимірюванні температури:

термопара 1, розміщена на відстані 0,04 м від робочого столу;

термопара 2, розміщена на відстані 0,02 м від робочого столу;

термопара 3, розміщена за екраном.

Для підтвердження вибору раціональної маси зразка для даних умов обробки постала необхідність дослідження не тільки тривалості процесу сушіння, але і максимальної температури (Тmax), до якої розігрівався зразок (рис.4).

За даними експериментальних досліджень можна зробити висновок, що зменшення та збільшення маси зразків від 0,06 кг призводить до підвищення значень максимальної температури, до якої розігрівався зразок.

Для проведення подальших досліджень прийнято використання зразків, масою 0,06 кг.

Рис.4. Вплив маси зразка на максимальну температуру обробки.

Дослідження впливу глибини вакууму на максимальну температуру, до якої розігрівався зразок, та тривалості обробки для петрушки дозволило зробити висновок, що значення температури при тиску 1104 Па та 5103 Па суттєво не відрізняються, тому можна стверджувати, що тиск 1104 Па раціональний для проведення подальших досліджень.

Оскільки, окрім вищерозглянутих факторів, на процес обробки впливає також коефіцієнт завантаження зелені у робочому об’ємі, постало питання про дослідження раціональних значень цього показника. За критерій оцінки було прийнято значення максимальної температури Тmax зразка. Маса наважки дорівнювала 0,06 кг, тиск 1104 Па. Вплив коефіцієнта завантаження робочого об’єму на максимальну температуру, до якої розігрівалися зразки петрушки та кропу, відображені на рис.5.

Рис.5. Залежність максимальної температури зразків від коефіцієнта
завантаження робочого об’єму.

За отриманими результатами можна зробити висновок про доцільність проведення сушіння при значенні коефіцієнта завантаження робочого об’єму в межах 0,13 для петрушки та 0,16 для кропу, тому що збільшення коефіцієнта завантаження призводить до небажаного підвищення максимальної температури, а зменшення не створює значного впливу на хід процесу.

Отже, за першим етапом досліджень встановлено наступні параметри раціонального проведення процесу сушіння в НВЧ-вакуумному апараті:

–

–

–

За другим етапом досліджень, для відтворення залежності тривалості сушіння від визначених факторів в області раціональних значень, було обрано математичну функцію поліном другого ступеня для двох факторів

, с,

де а0...а5 - коефіцієнти моделі; е - залишки моделі, які враховують вплив факторів, що не ввійшли в модель; - розрахункові значення багатофакторної моделі; кґ- ?оефіцієнт заповнення в кодованих одиницях; рґ - розрідження в кодованих одиницях; кґ2 - квадрат змінної кґ; рґ2 - квадрат змінної рґ; kґpґ - взаємовплив змінних kґ ? рґ.

Математична модель сушіння петрушки при розрідженні з НВЧ-енергопідводом (рис.6):

, с.

Математична модель сушіння кропу при розрідженні з НВЧ-енергопідводом (рис.7):

, с.

Отже, за другим етапом досліджень сушіння пряних та ефірних культур при розрідженні з НВЧ-енергопідводом, проведено багатофакторний експеримент, визначено коефіцієнти обраної математичної моделі та встановлено, що похибка при обчисленнях не перевищує 4,42 %.

При дослідженні якості прянощів за мікробіологічним і санітарно-бактеріологічним станом критеріями оцінки були:

1. Чисельність мікроорганізмів у петрушці та кропі: загальна та за фізіологічними групами – гриби, бактерії, дріжджі, термофільні бактерії.

2. Активність росту санітарно-бактеріальної мікрофлори: бактерій групи кишкової палички, стафілококів та протея при культивації на рідких та агаризованих середовищах.

Рис.6. Залежність тривалості сушін-ня петрушки в кодованих одиницях за розрахованою математичною моделлю.

Рис.7. Залежність тривалості сушін-ня кропу в кодованих одиницях за розрахованою математичною моделлю.

Мікробіологічні дослідження проводились по обліку сапрофітних мікроорганізмів (мезофілів і термофілів) та санітарно-показникової мікрофлори. Результати мікробіологічних досліджень з вивчення впливу різних способів обробки прянощів наведені в табл. 1.

Обробка прянощів в сушильній шафі та НВЧ-вакуумному апараті значно зменшує наявність мікроорганізмів на петрушці та кропі. При цьому ефективність їх бактерицидної дії різна і в значній мірі залежить від виду обробки. Активність зниження чисельності мікроорганізмів за варіантами обробки, при рівних умовах, відбувалась у такій послідовності: найменша кількість мікроорганізмів у петрушці і кропі спостерігалась при сушінні в НВЧ-вакуумному апараті; на другому місці – при сушінні в НВЧ-печі при атмосферному тиску; найбільша кількість мікроорганізмів спостерігалась при сушінні в сушильній шафі.

Згубна дія на мікроорганізми при обробці в НВЧ-вакуумному апараті обумовлена, напевне, тим, що НВЧ-поля майже миттєво діють на цитоплазматичну мембрану та взаємодіють з компонентами клітини мікроорганізму. Поля НВЧ, в поєднанні з розрідженням, спричиняють значні порушення в життєдіяльності мікроорганізму, які призводять до загибелі та попереджають перехід до спороподібної форми.

Санітарно-бактеріологічні показники підтверджують загибель мікроорганізмів при обробці прянощів в полях НВЧ (наявність БГКП, стафілококів і протея не виявлено).

Таблиця 1.

Вплив різних способів обробки прянощів на розвиток мікроорганізмів

№ | Варіанти досліджень | Кількість мікроорганізмів, тис/1г | З них, % | Санітарно-показ-никова мікрофлора

Грибів | Бактерій | Дріжджів | Термофілів | Всього | Бактерій | Грибів | БГКП | Стафілококи | Протей

Кода | Ендо

Петрушка

1. | Контроль | 5806 | 1377 | 25 | 1,5 | 7209 | 80,53 | 19,10 | + | + | + | +

2. | СШ | 77,7 | 45,8 | 5,0 | 6,7 | 135,2 | 57,47 | 33,86––––

3. | НВЧ | 20,1 | 62,5 | 2,5 | 7,0 | 92,1 | 21,82 | 67,86––––

4. | НВЧ+В | 5,5 | 40,0 | 1,5 | 20,0 | 67,0 | 8,21 | 59,70––––

Кріп

5. | Контроль | 8756 | 2390 | 25 | - | 11171 | 78,38 | 21,40 | + | + | + | +

6. | СШ | 130,4 | 66,5 | 4,5 | 7,9 | 209,3 | 62,30 | 31,77––––

7. | НВЧ | 42,5 | 98,5 | 1,2 | 9,0 | 151,2 | 28,11 | 65,15––––

8. | НВЧ+В | 7,3 | 30,7 | 1,3 | 18,5 | 57,8 | 12,63 | 53,11––––

Примітка: НВЧ – зразки, висушені в полі НВЧ при атмосферному тиску;

СШ – зразки, висушені традиційним способом;

НВЧ+В – зразки, висушені в полі НВЧ при тиску 1104 Па.

У ході досліджень була виділена велика різноманітність мікроорганізмів, що розвиваються в петрушці і кропі. У процесі виділення мікроорганізмів відбиралися не тільки ті, що руйнують прянощі, але і супутні їм мікроорганізми, що знаходяться в тісних симбіотичних чи метабіотичнх взаєминах. Бактерії, що найбільш часто зустрічалися належать до наступних родів: Bacillus, Bacterium, Pseudomonas, Clostridium, Achromobacter, Micrococcus, Pseudobacterium.

Характерними родами грибів були: Botrytis, Mucor, Penicillium, Cladosporium, Trichoderma, Rhizopus, Aspergillus.

При цьому співвідношення родів бактерій і грибів по варіантах досліду було різним. Так, у контрольному варіанті (петрушка в зелені) домінуючими родами грибів виявилися Botrytis (54,5 %), Fusarium (18,9 %), Cladosporium (14,4 %). У варіантах дослідів з обробкою для кожного виду обробки характерні специфічні гриби. Так, при сушінні в НВЧ-полі при тмосферному тиску (петрушка) переважали Mucor (37,5 %), Trichoderma (18,7 %), Rhizopus (14,3 %), а при сушінні в НВЧ-вакуумному апараті – гриби родів Fusarium і Rhizopus.

На основі проведених мікробіологічних досліджень можна зробити такі висновки:

1. Сушіння в НВЧ-вакуумному апараті призводить до значного зниження сапрофітних організмів, знищує санітарно-показникову мікрофлору, та надає прянощам високий антимікробіальний ефект.

2. Підвищення антимікробіального ефекту при сушінні в НВЧ-вакуумному апараті говорить про доцільність використання такого методу та обладнання в підприємствах харчової та переробної промисловості.

Проведені дослідження показали значну перевагу НВЧ-вакуумного сушіння з точки зору зниження мікробіальної засіяності.

Також проведено оцінку якості сушеної зелені пряних та ефірних рослин за фізико-хімічними (вітамінним та мінеральним складом) та органолептичними показниками, яка показала, що якість сушеної зелені не гірша, ніж при інших способах сушіння.

У четвертому розділі "Розробка дослідно-промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом" наведено будову дослідно-промислового зразка та його основні характеристики.

Проведені експериментальні дослідження визначили раціональні параметри за тривалістю сушіння при розрідженні з НВЧ-енергопідводом при максимальній середньооб’ємній температурі сушіння 318...320 К, за якими тривалість теплової обробки залежить від коефіцієнта завантаження робочого об’єму (0,13...0,16) та величини тиску (1104 Па), і коливається в межах 400 с для петрушки і 360 с для кропу.

Аналіз конструкцій існуючих надвисокочастотних апаратів, пристроїв для сушіння пряних та ефірних рослин, в тому числі при розрідженні, і проведені дослідження дозволяють сформулювати вимоги до конструкції дослідно-промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. Конструкція апарата повинна мати:

- фторопластову перфоровану робочу ємкість 2 (рис.8) для сировини, яка не вступає в хімічну взаємодію з харчовими продуктами, навколишнім середовищем і миючими та дезинфікуючими розчинами;

- фторопластовий ковпак 1 (рис.8), під яким розміщується фторопластова перфорована ємкість для сировини та створюється розрідження;

- металевий стіл 5 (рис.8) з перфорованою решіткою 3 та прокладкою 4 з вакуумної гуми, на якому розміщують ємкість для сировини та ковпак;

- НВЧ-піч відповідної потужності та геометричних розмірів резонаторної камери з вмонтованим таймером;

- конденсатор для конденсації випареної вологи;

- ємкість для накопичення конденсату;

- вакуумний насос продуктивністю 1,25 л/с та найбільшим робочим тиском 3,33103 Па;

- манометр з інтервалом вимірювання 5103...100103 Па;

- кран розгерметизації системи.

Конструкція апарата повинна забезпечувати:

- сталий тиск в робочій ємкості для сировини при проведенні всього циклу обробки;

- середньооб’ємну максимальну температуру зразка не вище 330 К;

- необхідну тривалість сушіння;

- температуру конденсації випареної вологи у теплообміннику
275...278 К;

- зручність санітарної обробки.

Рис. 8. Робоча ємкість для сировини

1 – фторопластовий ковпак; 2 – фторопластовий стакан для сировини;
3 – перфорована решітка (екран); 4 – прокладка з вакуумної гуми;
5 – стіл з нержавіючої сталі.

З розробленим дослідно-промисловим зразком були проведені виробничі випробування, котрі підтвердили його дієздатність та високу якість отриманої готової продукції. За встановленими комісією недоліками у конструкції апарата, було розроблено рекомендації щодо їх усунення при проектуванні промислового зразка.

У п’ятому розділі "Практична реалізація результатів досліджень" розроблені технічні умови та інструкцію по використанню промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. За технічним завданням у ВАТ "Полтавамаш" здійснено розробку проектної документації. Тривають роботи з виготовлення промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом і з підготовки серійного виробництва апарата.

ВИСНОВКИ

1. На підставі проведеного аналізу літературних джерел висунуто гіпотезу про існування раціональних параметрів з тривалості теплової обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. Зроблено висновок про необхідність вдосконалення існуючих та розробки нових апаратів для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. Визначено та обґрунтовано напрямки розробки і вдосконалення таких апаратів, їх основних вузлів та необхідність проведення експериментальних досліджень нового апарата.

2. Створено спеціальний експериментальний стенд для реалізації процесу обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. Точність і достовірність результатів вимірів забезпечується розробленою методикою експериментів та методами математичної обробки з використанням ПЕОМ.

3. За розробленими методиками перевірено відсутність впливу конструкційних змін у резонаторній камері НВЧ-печі на рівномірність розподілу полів надвисоких частот та зроблено висновок про можливість внесення таких конструкційних змін і доведено достовірність вимірювання середньооб’ємної температури в робочій зоні без зупинки магнетрона, що значно підвищило точність отриманих результатів.

4. Запропонований спосіб розділення пряно-ефірної рослинної сировини на тверду та рідку складові дозволяє отримати конденсат випареної вологи, що є додатковим продуктом з властивостями функціональної добавки, а технологічний процес стає практично безвідходним.

5. Досліджено вплив маси зразка (М), глибини розрідження (р) та коефіцієнта заповнення робочого об’єму (Кз) на час висушування () до вологості зразка 11-12 % та максимальну температуру, до якої розігрівався зразок (Ттах), під час проведеного багатофакторного експерименту, за результатами якого розроблено математичну модель тривалості процесу обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом у вигляді полінома другого ступеня, яка підтверджує висунуту гіпотезу.

6. Дослідження фізико-хімічних показників сушеної пряної зелені, що пройшла обробку за розробленою технологією, показали її переваги за вмістом вітамінів та мікроелементів перед зеленню, що пройшла традиційну теплову обробку. Дослідження мікробіологічних показників сушеної пряної зелені, що пройшла обробку за розробленою технологією, довели, що в результаті гине в 2,5...3,5 рази більше мікроорганізмів, ніж при традиційному сушінні, а в процесі зберігання спостерігається яскраво виражений ефект гальмування росту колоній мікроорганізмів. Проведено органолептичну оцінку сушеної пряної зелені та отриманого конденсату випареної вологи, котрі отримали 4,5 бали за розробленою бальною шкалою, в той час. як висушені традиційним способом прянощі отримали 3...3,5 бали.

7. Розроблено, виготовлено і випробувано у виробничих умовах дослідно-промисловий зразок апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом, який реалізує запропоновану технологію.

8. Розроблено технічне завдання на розробку і виготовлення промислового зразка апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом; здійснено авторський нагляд за розробкою проектної документації на промисловий зразок апарата.

9. Проведено комплекс заходів щодо впровадження результатів досліджень у практику підприємств харчування. Оцінено економічний ефект, який полягає в економії часу, сировини і отриманні додаткового продукту – конденсату випареної вологи з яскраво вираженими органолептичними властивостями, і складає 575,9 грн на 100 кг отриманого продукту. Підтверджено доцільність широкомасштабного промислового випуску апарата для обробки пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бичков Я.М. Інтенсифікація сушіння пряних та ефірних культур із застосуванням вакууму та НВЧ-енергопідводу // Вісник ДонДУЕТ. - 2002. - № 2 (14). - С. 148-153.

2. Шеляков О.П., Фірсова Р.М., Бичков Я.М. Дослідження впливу сушки пряних та ефірних рослин в НВЧ-вакуумному апараті на ступінь бактеріальної засіяності та її якісний склад // Збірник наукових праць "Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі" в розділі "Обладнання харчових виробництв та удосконалення процесів і апаратів харчових виробництв". Харків. - 2003. - С. 82-88.

Особистий внесок здобувача: здобувачем підготовлено зразки для проведення мікробіологічних досліджень, узагальнено отримані результати та оформлено статтю.

3. Шеляков О.П., Бичков Я.М. Обґрунтування основних параметрів апарата для здійснення обробки пряних та ефірних культур при розрідженні з НВЧ-енергопідводом // Вісник ДонДУЕТ. - 2004. - № 1 (21). - С. 107-114.

Особистий внесок здобувача: планування та проведення багатофакторного експерименту, оброблення його результатів та створення математичної моделі процесу сушіння пряної та ефірної сировини при розрідженні з НВЧ-енергопідводом.

4. Бичков Я.М. Температура сушіння сировини // Харчова і переробна промисловість. - 2004. - № 9-10 (301-302). - С. 20-21.

5. Пат. 43004А Україна, МКІ F 26 D 3/347. Пристрій для мікрохвильової сушки при зрідженому тиску / Шеляков О.П., Лугівська В.Г., Бичков Я.М. Полтавський кооперативний інститут Укоопспілки, Заявл. 17.11.2000; Опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10. - 3с.

Особистий внесок здобувача: аналіз конструкцій існуючих апаратів для сушіння пряних та ефірних рослин, виявлення їх переваг і недоліків, участь в оформленні матеріалів заявки.

6. Шеляков О.П., Лугівська В.Г., Бичков Я.М. Використання мікрохвильової енергії як засіб підвищення ефективності процесів сушки // Матеріали наук.-практ. конф. "Підприємства і цехи малої потужності для переробки сільськогосподарської сировини". – Полтава: ПКІ. - 1998. -
С. 297-302.

Особистий внесок здобувача: теоретичне обґрунтування переваг використання розрідження з НВЧ-енергопідводом при обробці рослинної сировини.

7. Шеляков О.П., Лугівська В.Г., Бичков Я.М. Розробка мікрохвильової вакуумної технології переробки та зберігання пряних рослин // Матеріали наукової конференції за результатами досліджень професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів Полтавського кооперативного інституту за 1996-1998 рр.- Книга 2.- Полтава. - 1999.- С. 92-95.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних досліджень.

8. Шеляков О.П., Фірсова Р.М., Бичков Я.М. Якість сушених спецій, отриманих з використанням вакуумного сушіння з НВЧ-енергопідводом // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції "Товари XXI століття".- Частина 2. -Полтава: РВВ ПУСКУ.- 2002 р. - С. 55-57.

Особистий внесок здобувача: розробка методики та проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів отриманих експериментальних даних.

9. Шеляков О.П., Бичков Я.М. Дослідження впливу конструкційних змін резонаторної камери на рівномірність розподілу полів НВЧ // Міжнародна науково-практична конференція "Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі", присвяченій 65-річчю з дня народження доктора технічних наук, професора, члена-кореспондента ВАСГНІЛ Беляєва М. І. (м.Харків 19 листопада 2003р.). -Харків. - 2003. -
С. 269.

Особистий внесок здобувача: Здобувачем розроблено методику проведення експерименту, створено стенд, проведено експериментальні дослідження, підготовлено виступ.

10. Шеляков О.П., Бичков М.Ф., Бичков Я.М. Конструктивне рішення апарата для здійснення обробки пряних та ефірних культур при розрідженні з НВЧ-енергопідводом // Міжвузівська науково-практична конференція "Проблеми техніки і технології харчових виробництв".-Полтава:
РВВ ПУСКУ. - 2004. - С. 37.

Особистий внесок здобувача: проектування основних вузлів апарата для обробки пряних та ефірних культур при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. Здобувач брав участь у розробці проектної документації та промислових випробуваннях апарата.

11. Шеляков О.П., Селютін В.О., Бичков Я.М. Удосконалення робочої ємкості для сировини НВЧ-вакуумного апарата для сушіння пряних та ефірних культур // Міжвузівська науково-практична конференція "Проблеми техніки і технології харчових виробництв".- Полтава: РВВ ПУСКУ. - 2004. - С. 88.

Особистий внесок здобувача: проведення розрахунків та проектування удосконаленої робочої ємкості для сировини НВЧ-вакуумного апарата для сушіння пряних та ефірних культур.

АНОТАЦІЯ

Бичков Я.М. Розробка апарата та дослідження процесу обробки пряно-ефірної сировини при розрідженні з НВЧ-енергопідводом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. - Донецький державний університет економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського, 2005.

Дисертацію присвячено питанням дослідження процесу обробки зелені пряних та ефірних рослин при розрідженні з НВЧ-енергопідводом і отриманню сухої складової та конденсату випареної вологи.

Встановлено, що тривалість процесу сушіння та максимальна температура, до якої розігрівався зразок, в значній мірі залежать від узгодженого навантаження на магнетрон, глибини розрідження та коефіцієнту заповнення робочого об’єму. Проведено серію експериментів для визначення раціональних параметрів і створена математична модель процесу.

За отриманими експериментальними даними розроблено технічну документацію на дослідно-промисловий зразок апарата для НВЧ-вакуумного сушіння, проведені промислові випробування та розроблено технічну документацію на промисловий зразок.

Доведено високу якість кінцевого продукту, виробленого на спроектованому обладнанні при раціональних режимах обробки. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження на ВАТ Полтавський машинобудівний завод "Полтавамаш".

Ключові слова: поле НВЧ, розрідження, пряні та ефірні рослини, конденсат випареної вологи.

АННОТАЦИЯ

Бичков Я.М. Разработка аппарата и исследование процесса обработки пряно-эфирного сырья при разрежении с СВЧ-энергоподводом. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. - Донецкий государственный университет экономики и торговли им. М. Туган-Барановского, 2005.

Диссертация посвящена вопросам исследования процесса обработки зелени пряных и эфирных растений при разрежении с СВЧ-энергоподводом и получения сухой составляющей и конденсата испаренной влаги. Для проведения исследований в выбранном направлении был создан лабораторный стенд, позволяющий осуществить сушку пряных и эфирных растений при разрежении с СВЧ-энергоподводом с изменением параметров проведения процесса в широком диапазоне.

С целью снижения погрешности измерений температуры, предложена методика определения среднеобъемной температуры растительного образца в рабочей емкости при сушке в вакууме с СВЧ-энергоподводом и экспериментальным путем доказана ее достоверность. В связи с проведенными изменениями в конструкции резонаторной камеры СВЧ-печи разработана и реализована методика определения равномерности распределения полей сверхвысоких частот в объеме резонаторной камеры.

В следствие того, что испарившаяся из пряных и эфирных растений влага откачивается вакуумным насосом за пределы резонаторной камеры – нарушается согласованность нагрузки на магнетрон. Для согласования нагрузки в процессе проведения экспериментальных исследований был реализован метод постепенного введения балласта (воды) в объем резонаторной камеры СВЧ-печи.

Экспериментальными исследованиями установлены зависимости влагосодержания образца от времени сушки в условиях разрежения с СВЧ-энергоподводом. Полученные данные были использованы при определении количества вводимого балласта (воды) в объем резонаторной камеры СВЧ-печи.

По литературным источникам и экспериментально установлено, что продолжительность процесса сушки пряных и эфирных растений при разрежении с СВЧ-энергоподводом и максимальная температура, до которой разогревался образец, в значительной мере зависят от глубины разрежения и коэффициента заполнения рабочего объема. Согласно разработанному плану проведения экспериментальных исследований проведена серия экспериментов для определения рациональных параметров процесса сушки пряных и эфирных растений в рабочей ёмкости при разрежении с СВЧ-энергоподводом и создана математическая модель процесса в виде полинома второй степени.

По полученным экспериментальным данным, рациональные параметры аппарата находятся в пределах: масса образцов 0,050...0,065 кг, давление в пределах 1104 Па, значение коэффициента заполнения рабочей емкости в пределах 0,13 для петрушки и 0,16 для укропа. При этом отмечено улучшение показателей органолептических свойств готовой продукции и уменьшение бактериальной обсемененности в 1,5...3 раза по сравнению с другими методами обработки.

Согласно полученным экспериментальным данным разработана техническая документация на экспериментально-промышленный образец аппарата для сушки пряных и эфирных растений при разрежении с СВЧ-энергоподводом. Созданный экспериментально-промышленный образец аппарата для сушки пряных и эфирных растений при разрежении с СВЧ энергоподводом прошел промышленные испытания, на основе которых разработана техническая документация на промышленный образец.

Доказано высокое качество конечного продукта, полученного на спроектированном оборудовании при рациональных режимах обработки. Основные результаты работы нашли промышленное внедрение на ОАО Полтавский машиностроительный завод "Полтавамаш" с ожидаемым экономическим эффектом 575,9 грн на 100 кг готовой продукции.

Ключевые слова: поле СВЧ, разрежение, пряные и эфирные растения, конденсат испаренной влаги.

ANNOTATION

Bychkov Yaroslav Mikhailovitch. Development of process and perfection of equipment for treatment of spicy and ether plants in case of rarefaction