ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

КІПТЕЛА ЛЮДМИЛА ВАСИЛІВНА

УДК 664.8: 658.562.5

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ПРОЦЕСІВ І ОБЛАДНАННЯ ВИРОБНИЦТВА ХАРЧОВИХ НАПІВФАБРИКАТІВ З

НЕТРАДИЦІЙНОЇ ПЛОДООВОЧЕВОЇ СИРОВИНИ

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних

та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному університеті харчування та торгівлі Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України

Черевко Олександр Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі,

ректор, завідувач кафедри процесів, апаратів та

автоматизації харчових виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, чл-кор. НАН України

Снєжкін Юрій Федорович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

заступник директора

доктор технічних наук, професор

Погожих Микола Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі,

завідувач кафедри енергетики та фізики

доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України

Оніщенко Володимир Петрович,

Одеська державна академія холоду,

завідувач кафедри інженерної теплофізики

Провідна установа: Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра технологічного обладнання харчових виробництв

Захист відбудеться “7“ грудня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, 61051, м. Харків-51.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, 61051, м. Харків-51.

Автореферат розісланий “4“ листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дубініна А.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення конкурентоспроможності виготовлених в Україні продуктів харчування високої якості, зменшення втрат сировини та зниження ресурсовитрат на їх виробництво є актуальною проблемою теперішнього часу. З огляду на несприятливу екологічну ситуацію в Україні підвищився попит на продукти з плодоовочевої сировини, які містять значну кількість біологічно активних речовин (БАР). У той же час потреба у вітчизняних консервованих продуктах на плодоовочевій основі задовольняється не більше ніж на 20 %. Розширення асортименту консервованої продукції з рослинної сировини можливо за рахунок використання нетрадиційної плодоовочевої сировини – дикорослої плодово-ягідної та пряно-овочевої. На теперішній час в Україні можливо збирати до 1 млн. тонн дикорослої плодово-ягідної сировини (ДПС) у рік, однак фактично заготівля складає усього 20 тис. тонн, недостатньо використовуються і пряні овочі. Основною причиною такої ситуації варто вважати відсутність прогресивних способів переробки плодоовочевої сировини. Використання дикорослої сировини особливо сприятливо для виробництва плодово-ягідних паст і цукатів, що відрізняються великим вмістом БАР. Існуюче обладнання по виробництву паст і цукатів характеризується великою тривалістю обробки, значними енерговитратами і металоємністю, втратами вітамінів і інших БАР. Інтенсифікація процесів переробки плодоовочевої сировини можлива шляхом впровадження нових способів і обладнання, використання яких дозволяє знизити ресурсовитрати на їх виробництво і підвищити якість готової продукції.

Одним з основних недоліків виробництва плодоовочевих паст і цукатів є значні втрати БАР при тепловій обробці сировини, особливо при концентруванні, тривалість якого в залежності від виду готового продукту може складати від 60 до 300 хв., при цьому втрати вітаміну С досягають 30...70 %. Перспективним способом інтенсифікації процесів випарювання пастоподібних продуктів з плодоовочевої сировини є використання плівкового плину рідких продуктів під дією сили тяжіння, відцентрових сил і супутнього парового потоку, що має місце в роторних плівкових апаратах (РПА). Використання РПА дасть можливість значно скоротити тривалість термообробки продуктів, знизити втрати БАР, здійснити їхню ефективну гомогенізацію, зменшити габарити обладнання й експлуатаційні витрати. Однак відсутність теоретичних і експериментальних досліджень гідродинамічних і тепломасообмінних процесів у РПА для систем високої в'язкості стримує широке використання цього апарата для концентрування пастоподібних продуктів з дикорослої плодово-ягідної сировини.

У зв’язку з цим наукове обґрунтування ресурсозберігаючих процесів виробництва харчових напівфабрикатів з нетрадиційної дикорослої плодово-ягідної і пряноовочевої сировини, розробка нових способів і високоефективного обладнання для забезпечення високої якості продуктів є основною проблемою, що вирішується у цієї роботі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно тематичним планам наукових досліджень кафедри процесів, апаратів та автоматизації харчових виробництв ХДУХТ у рамках держбюджетних тем: № 8-91-96Б “Удосконалення процесів переробки харчових продуктів”; № 5-97-2000Б “Розробка та дослідження процесів та апаратів для переробки сільськогосподарської сировини”; № 7-01-05В “Інтенсифікація процесів переробки харчової сировини”; № 2-04-06Б, номер держреєстрації 0104U002573 “Підвищення ефективності переробки сільськогосподарської сировини”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування інтенсифікації тепломасообмінних процесів при виробництві харчових напівфабрикатів з нетрадиційної плодоовочевої сировини і розробка ресурсозберігаючих способів та обладнання для їх реалізації.

Відповідно поставленій меті сформульовані наступні основні задачі досліджень:

-проаналізувати існуючі процеси переробки плодоовочевої сировини і визначити напрямки інтенсифікації виробництва харчових напівфабрикатів з нетрадиційної плодоовочевої сировини (НПОС);

-розробити фізико-математичну модель кінетики дифузії розчинених речовин у продукти на стадії попередньої обробки сировини і визначити раціональні інтервали тривалості процесів;

-розробити фізико-математичні моделі гідродинамічних і тепломасообмінних процесів при концентруванні фруктових пюре в РПА і визначити можливий ступінь їх інтенсифікації;

-розробити модель кінетики уварювання дикорослих плодів у цукровому сиропі для виробництва цукатів і запропонувати раціональний режим його проведення;

-визначити реологічну модель для структурно-механічних властивостей пастоподібної плодоовочевої сировини, установити зв'язок між структурно-механічними характеристиками і режимами обробки сировини, а також консистенцією виробів на основі НПОС;

-експериментально дослідити механізми тепломасоперенесення для процесів концентрування фруктових пюре з використанням ДПС і уварювання дикорослих плодів при готуванні цукатів, а також деформаційні характеристики овочевої суміші при готуванні пастоподібних напівфабрикатів із пряних овочів і визначити раціональні режими їх здійснення;

-дослідити структурно-механічні властивості фруктових пюре і паст з застосуванням ДПС і виявити вплив різноманітних технологічних факторів та параметрів процесу концентрування в РПА на їх консистенцію;

-розробити способи виробництва харчових напівфабрикатів з НПОС і оцінити якість отриманих продуктів;

-розробити прогресивне обладнання для реалізації попередньої й основної стадій обробки ДПС, скласти на нього проектну документацію, розробити лінії по виробництву фруктових паст і цукатів із ДПС;

-оцінити соціально-економічну ефективність науково-технічних розробок і здійснити заходи щодо упровадження їх у виробництво.

Об'єктом дослідження є гідродинамічні, теплові і масообміні процеси і режими роботи обладнання для виробництва паст і цукатів із НПОС.

Предметом дослідження є пасти з дикорослої плодово-ягідної і культивуємої

плодової сировини, цукати з дикорослих плодів, пасти з пряних овочів і зелені, а також обладнання для концентрування рослинної сировини.

Методи дослідження: фізико-математичне моделювання гідродинаміки і тепломасообміну, експериментальні методи з використанням сучасних вимірювальних засобів, статистична обробка результатів експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів

В основу теоретичних і експериментальних досліджень покладена наукова концепція, що полягає в створенні ресурсозберігаючих процесів, підвищенні якості готових виробів при виробництві пастоподібних напівфабрикатів з нетрадиційної плодоовочевої сировини за рахунок інтенсифікації тепломасообміну шляхом комплексного підходу до регулювання процесів гідродинаміки плину в’язкого продукту, теплопідведення, дифузії і реологічних властивостей продуктів, при цьому плин продукту відбувається в полі дії відцентрових сил, а теплопідведення змінюється параметрами парогазової фази.

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень вперше:

-на основі модельного розрахунку профілю швидкостей плину в’язкого продукту в РПА визначено вплив конструктивних параметрів плівкоутворюючих елементів ротору на інтенсивність циркуляції продукту в плівці, що забезпечує ефективність тепломасообміну під час концентрування фруктових пюре;

-розроблено фізико-математичну модель тепломасообмінних процесів концентрування фруктових пюре в РПА, яка враховує гідродинаміку плину елементарного об’єму продукту по спіралі, що дозволяє розрахувати коефіцієнти тепломасовіддачи в залежності від товщини плівки продукту і частоти обертання ротора;

-отримано математичну модель випаровування вологи в РПА для визначення розподілу температури і концентрації сухих речовин у продукті по висоті апарата, що дозволяє вибрати раціональний режим обробки термолабільних пастоподібних продуктів і розрахувати основні конструктивні розміри апарата;

-отримано модель кінетики дифузійних процесів під час уварювання цукатів у цукровому сиропі і доведено, що регулюванням парціального тиску пари в періодах варення й охолодження скорочується тривалість процесу термообробки плодів;

-розроблено методику розрахунку тривалості попередньої обробки плодів, у якій механізм процесу розглядається, як самодифузія води з розчиненими в ній сухими речовинами, що використано при визначенні раціональних параметрів низки дифузійних процесів;

-отримано критеріальне рівняння для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі під час концентрування фруктових пюре в РПА, що враховує вплив гравітаційного стікання плівки, її рух при обертанні лопаті ротора, перемішуючу дію пухирців пари, конструктивних параметрів лопаті ротора на гідродинаміку плину;

-отримано реологічні залежності для моделювання деформування пастоподібних систем з рослинної сировини в умовах різних режимів змінення швидкостей напруження і деформації, що дозволяє уточнити конструктивні й енергетичні характеристики технологічного обладнання.

Практичне значення отриманих результатів полягає у:

-визначенні раціональних режимів концентрування фруктових пюре з використанням дикорослої плодово-ягідної сировини в РПА;

-розробці способів виробництва цукатів з дикорослих плодів, фруктових паст з використанням ДПС, пастоподібного напівфабрикату з пряних овочів і зелені, раціональних режимів їх здійснення, а також затвердженні нормативної документації на виготовлення фруктових паст і цукатів із ДПС;

-розробці обладнання для попередньої обробки дикорослої сировини і концентрування фруктових пюре з використанням ДПС (УПТОДС-150 і РПА-200-0,82), затвердженні проектно-конструкторської документації на це обладнання;

-створенні методики, програмного забезпечення для визначення основних технологічних і конструктивних характеристик роторних плівкових апаратів для концентрування фруктових паст, що використано при розробці випарного обладнання.

На наукові розробки отримані авторське посвідчення СРСР на винахід №1364275 “Способ приготовления консервированного полуфабриката из сырья, содержащего свежую зелень пряных овощей”, патент СРСР № 1777556 “Способ приготовления отделочных полуфабрикатов для кондитерских изделий из плодов”, патент РФ №2039462 “Способ приготовления фруктового фарша”, деклараційні патенти України на винаходи № 34072 А „Спосіб виробництва фруктової пасти”, №38061 А „Спосіб виробництва пасти з дикоплодної сировини”, №53975 “Пристрій для попередньої теплової обробки дикорослої сировини”, №45609 А “Тонкоплівковий роторний апарат”, № 50169 А “Тонкоплівковий роторний випарник”, № 49359 А “Композиція рецептурних компонентів при виробництві пасти з дикоплодної сировини”.

Реалізація роботи. Проектна документація на розроблене обладнання впроваджена на підприємствах м.Харкова: Дослідницьке виробництво ІПМАШ НАН України (акт від 21.01.2002 р.); ТОВ Науково-виробнича фірма “Ізотерм” (акт від 11.01.2000 р.); АТ УКРНІІХІММАШ (акт від 01.08.2002 р.). Апробацію дослідно-експериментальних зразків обладнання і технологічних процесів виробництва фруктових паст і цукатів з дикорослої плодово-ягідної сировини проведено на підприємствах: ТОВ “Сахновщанський завод продтоварів” Сахновщанського району Харківської області (акт від 20.12.2002 р.), ВАТ Буринський завод продтоварів Сумської області (акт від 21.10.2004 р.), ВАТ “Роменська кондитерська фабрика” (акт від 22.08.2005 р.).

Розроблено техніко-економічне обґрунтування організації лінії з виробництва фруктових паст з застосуванням ДПС продуктивністю 87 тонн пасти на рік. Використання пристрою для попередньої теплової обробки дикорослої сировини і роторного плівкового апарата для концентрування пастоподібних продуктів дозволило знизити енергетичні, капітальні та експлуатаційні витрати. Економічний ефект складає 158,7 тис. грн. (в цінах на 01.04.05), термін окупності 1,3 роки.

Особистий внесок здобувача полягає в: аналізі стану проблеми, формулюванні наукової концепції та мети досліджень, постановці задач досліджень, складанні програм досліджень і керівництві за їх реалізацією; участі у проведенні патентного пошуку та наукових експериментів, обробці дослідних даних, узагальненні отриманих результатів і формулюванні висновків, підготовці матеріалів до публікації та складанні заявок на винаходи, розробці нормативної та проектної документації і проведенні заходів із упровадження науково-технічних розробок у виробництво. Ряд експериментальних досліджень виконано в процесі керування науковою роботою аспіранта Загорулька О.Є. і здобувача Афукової Н.О. Частина робіт по математичному узагальненню результатів досліджень виконано разом з д.т.н. Синєкопом М.С.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на міжнародній конференції “Перспективы развития массового питания и торговли на пути к рыночной экономике” (Харків, 1994 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин” (Київ, 1994 р.), 9 міжнародній конференції „Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (Одеса, 1996 р.), міжнародній науково-технічний конференції “Современные проблемы машиностроения и технический прогресс” (Донецьк, 1996 р.), міжнародній науково-технічний конференції “Холод и пищевые производства” (Санкт-Петербург, 1996 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції “Екологія і економіка” (Львів 1997 р.), науково-практичній конференції “Стан і проблеми розвитку торгівлі й харчування в Україні” (Харків, 1997 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми якості у громадському харчуванні, готельному господарстві і туризмі” (Київ, 1998 р.), 2-й міжнародній науково-практичній конференції “Продовольственный рынок и проблемы здорового питания” (Орел, 1999 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Научные и практические аспекты переработки мяса и мясопродуктов” (Харків, 2001 р.), 67-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (Київ, 2001 р.), міжнародній науково-технічний конференції “Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХІ веке” (Санкт-Петербург, 2001 р.), міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (Харків, 2001…2002 рр.), міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” (Слав’яногорськ, 2001 р.), міжнародній науково-методичній конференції “Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі” (Харків, 2002 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі” (Харків, 2003 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” (Донецьк, 2003 р.), міжвузівській науково–практичній конференції “Проблеми техніки і технології харчових виробництв” (Полтава, 2004 р.), наукових конференціях професорсько-викладацького складу ХДУХТ (Харків, 1994…2004 рр.). Зразки розробок були представлені на міжнародних виставках-ярмарках “Наука Харківщини - 2000” (Харків, 2000 р.), “Слов’янський базар” (Харків, 2000 р.), “Слобожанська весна. Харківські торги” (Харків, 2001 р.), “Слобожанська осінь. Харківські торги” (Харків, 2001 р.), “Наука Харківщини-2002” (Харків, 2002 р.), “Регіональна співдружність” (Харків 2003 р.), “Наука Харківщини – виробництву” (Харьков, 2004 г.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 74 наукові праці, у тому числі: 41 стаття (з них 29 у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України), 1 авторське посвідчення СРСР, 1 патент СРСР, 1 патент РФ, 6 деклараційних патентів України на винаходи, 24 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 374 найменування, у тому числі 51 іноземних, і додатків. Роботу викладено на 271 сторінках, вона містить 62 рисунка, 32 таблиці та 6 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її значення для України, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову концепцію, новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості щодо реалізації та апробації роботи.

У першому розділі „Аналіз стану проблеми виробництва харчових продуктів з нетрадиційної плодоовочевої сировини” проведено аналітичний огляд процесів і обладнання для переробки нетрадиційної плодоовочевої сировини – дикоплодної і пряноовочевої, наведено відомості щодо зміни фізико-хімічних властивостей продуктів під час теплової обробки. Відзначено, що перспективним напрямком концентрування пастоподібних продуктів з плодоягідної сировини є використання плівкової течії рідини, що має місце в роторних плівкових апаратах. Проведений аналіз стану математичного моделювання процесу випаровування в апараті показав, що більшість досліджень теплогідродинамічних характеристик плівкових течій в апараті присвячено вивченню процесів теплоперенесення під час турбулентних режимів течії рідини, дослідження ламінарного режиму характерного для високов’язких рідин відсутні. Наведено відомості щодо структурно-механічних властивостей плодоовочевої сировини і готових виробів.

На основі аналізу літературних джерел сформульовані задачі дослідження, що спрямовані на досягнення мети дисертаційної роботи.

У другому розділі „Наукове обґрунтування і розробка моделей процесів обробки нетрадиційної плодоовочевої сировини” розглянуто напрямки інтенсифікації процесів переробки нетрадиційної плодоовочевої сировини.

В залежності від виду сировини і готового виробу для усунення негативних властивостей НПОС, зменшення втрат маси, збереження харчової і біологічної цінності сировини можливо застосувати різні варіанти попередньої підготовки сировини, серед яких бланшування плодів у пряному маринаді або розчині кухонної солі і лимонної кислоти, підпресування стружки з пряних овочів у розчинні кухонної солі і т. ін.. При цьому мають місце дифузійні процеси проникнення розчину в продукт. Механізм процесу розглядається як самодифузія води з розчиненими у неї сухими речовинами, тому що концентрація розчину мала (Ср=10 %). Рішенням крайової задачі дифузії розчинених речовин в плід отримано вираз для приблизного визначення тривалості процесу , коли середня концентрація розчину в продукт досягає 90...95 % початкової, тобто

, (1)

де r0 – визначений розмір продукту, м; Dc – коефіцієнт самодифузії води, м2/с.

На основі єдиного теоретичного підходу встановлені раціональні значення параметрів режимів попередньої обробки НПОС (табл. 1).

Таблиця 1

Параметри процесу дифузії розчинених речовин в продукт

Витримування | Темпера-тура

t, є? | Коефіцієнт самодифузії Dс·109, м2/с | Визначений розмір

r·103, м | Тривалість процесу

фк, с

1. Плоди в розчині NaCl і лимонної кислоти | 20…25 | 2,5 | 5,0…6,0 | 1800…2400

2. Плоди в пряному маринаді | 70…75 | 8,5 | 5,0…6,0 | 600…900

3. Стружка з пряних овочів у розчині NaCl і лимонної кислоти | 20…25 | 2,5 | 1,2…1,5 | 200…280

За основний тепловий процес виробництва пастоподібних продуктів з використанням ДПС обрано випаро-вування вологи у РПА. Ефективність застосування РПА під час випаро-вування фруктових пюре залежить від характеру переміщення продукту в апараті, а також від інтенсивності його перемішування поблизу лопатей ротора. Гідродинамічна модель плину продукту в РПА в двомірній постановці отримана за використанням шарнірних зрізуючих рамок. Поперечний перетин області течії рідини з такою рамкою, що має форму трикутника АВС, показано на

рис. 1.

Для розрахунку гідродинаміки течії рідини в РПА застосовано рівняння Нав’є-Стокса для плоского плину рідини. Рішення крайової задачі для поля швидкостей отримано чисельним методом з використанням R-функції, який дозволяє врахувати складну конфігурації області ?.

, (2)

де цk(х,у) _елементи повної системи функцій; ck _коефіцієнти розкладання, що підлягають визначенню

. (3)

Для визначення впливу величини кута г зрізуючої крайки шарнірної рамки на гідродинамічні процеси розрахована відносна швидкість руху продукту Кv=х/хr у відносних координатах (х/е, у/?) області ?, що розглядається, для фіксованих значень г: 6є, 12є, 21є (?ис. 2). Результати розрахунку профілів швидкостей руху рідини для різних кутів зрізуючої крайки лопаті показали, що середня відносна швидкість має максимальне значення для г=6є (?абл. 2), що приводить до інтенсивної циркуляції продукту і підтверджує високу ефективність застосування зрізуючої рамки в РПА для випаровування в’язких фруктових пюре.

Рис 2. Профіль відносних швидкостей руху продукту КV навколо лопаті

зі зрізуючим кутом 6°

Таблиця 2

Значення середньої відносної швидкості плину продукту в області

Найменування величини | Кут зрізуючої крайки, ?

6° | 12° | 21°

Середня відносна швидкість КV | 0,625 | 0,586 | 0,482

Дисперсія швидкості ? | 4,649?10-3 | 4,158?10-3 | 4,005?10-3

При моделюванні тепломасообмінних процесів концентрування в’язких пастоподібних продуктів в РПА прийнято, що елементарний об’єм продукту рухається в апараті за спіраллю (рис. 3). Це дозволяє визначити змінювання температури і концентрації за товщиною плівки і висотою апарата.

Складові швидкості (хх, ху, хz) визначаються: хх - дією лопаті ротора, ху - мірою перемішування рідини, ху - дією гравітаційного прискорення.

; (4)

; (5)

, (6)

де хr - лінійна швидкість лопаті, хв-1; h – визначений розмір лопаті, м; D – діаметр апарата, м; д – товщина плівки рідини, м; с – густина продукту , кг/м3; з – коефіцієнт динамічної в’язкості, Па·с; g – гравітаційне прискорення, м/с2.

Рішення рівнянь конвективної тепломасовіддачі у залежності від товщини плівки і частоти обертання ротору

; , (7); (8)

де б – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2К); - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК); а і ат – коефіцієнти температуропроводності і масопроводності, м2/с; С – коефіцієнт масовіддачі, віднесений до концентрації, м/с2; в=вcс/?p(t), кг/(м2сПа); ?р(t) - різниця парціальних тисків за текучою температурою продукту, Па.

Результати розрахунку коефіцієнтів тепломасовіддачі в залежності від товщини плівки продукту і частоти обертання ротору (рис. 4) показують, що зі збільшенням товщини плівки коефіцієнти тепломасовіддачі зменшуються, а частота впливає тільки на величину коефіцієнта тепловіддачі.

В результаті розв’язання рівнянь теплового і матеріального балансу отримано вирази для визначення розподілу температури t(z) і концентрації ac(z) продукту за висотою апарата

; (9)

, (10)

де ; tc, t0, t – відповідно, температура стінки, початкова і поточна продукту, °С; ; , (11)

; ; (12)

фа – час перебування елементарного об’єму в РПА, с; z, L – висота поточна і камери, м; W – вологовміст продукту, %, W=mв/mc; mв, mc – відповідно, маса вологи і

сухих речовин, кг; ; (13)

, , , (14)

о; ; ; р, р0 – відповідно, парціальний тиск пари над плівкою продукту і в апараті, Па.

Розподіл концентрації сухих речовин і температури продукту за висотою апарата (рис. 5) показує, що температура змінюється тільки на початкової ділянці, а

вологовміст – інтенсивно по всій висоті камери, причому зі зменшенням кута зрізуючої крайки рамки лопаті коефіцієнт тепловіддачі збільшується.

Отримані залежності дозволяють обрати режим обробки термолабільних продуктів і розрахувати основні конструктивні розміри апарату – діаметр і висоту

; . (15); (16)

Під час виробництва цукатів з дикорослих плодів основною тепловою обробкою є уварювання плодів у цукровому сиропі, що відбувається у вакуум- випарювальному апараті. Проведено розрахунок кінетики концентрації сухих речовин у плодах під час уварення шляхом рішення крайової задачі нестаціонарної дифузії

, (17)

де С1, Сн, – відповідно, концентрація в рідкій фазі сиропу, початкова і середня у плоді наприкінці процесу, %; A=3D/; D – коефіцієнт дифузії цукру в плід, м2/с;

r0 – радіус плоду, м; фк – тривалість процесу, с.

Рис. 5. Розподіл за висотою РПА в продукті (а) концентрації сухих речовин; (б) темпе-

ратури при куті ? зрізуючої крайки шарнірної рамки: - 21°; - 12°;

- 6°

Під час уварювання плодів періоди варення у вакуум-апараті за тиском 70...72 кПа чергувалися з періодами охолодження за тиском 30...40 кПа, при цьому коефіцієнт дифузії для періоду варення складав Dв=3,8·10-9 м2/с, для охолодження Dо=2,1·10-9 м2/с. Використання такого режиму дозволяє зберегти гарний зовнішній вигляд плодів і зменшити тривалість уварювання.

Для розрахунку технологічного обладнання необхідно мати реологічну модель пастоподібного продукту з НПОС, що підлягає деформуванню. Найбільш точно відображає поведінку цих продуктів в процесах навантаження і розвантаження реологічна модель, що утворюється паралельним з’єднанням моделі Максвела (послідовне з’єднання пружного та в’язкого елементів) і елемента Гука. Рівняння такої моделі має вигляд

, (18)

де G1, G2 – пружні елементи, Па; и – напруження зсуву, Па; е – деформація, м; з – коефіцієнт динамічної в’язкості, Па·с.

На основі рівняння (18) одержано реологічні залежності для моделювання деформування в умовах різних режимів зміни швидкостей напруження і деформації, що дозволяє уточнити конструктивні й енергетичні характеристики технологічного обладнання.

У третьому розділі „Об'єкти, методи досліджень і експериментальні установки” наведено характеристику сировини, методики та методи досліджень гідродинамічних, тепломасообмінних, структурно-механічних, фізико-хімічних, мікробіологічних і органолептичних показників.

Схему експериментальної установки для дослідження гідродинаміки і теплообміну під час концентрування пюре з ДПС в РПА наведено на рис. 6.

В експериментах вимірювались наступні параметри: температура продукту на вході і виході з моделі, температура стінки моделі, витрата продукту, концентрату і конденсату, число обертів ротору, потужність, що витрачається на обертання ротору і нагрівачів, тиск в системі. Вимірювання середньої температури стінки в трьох перерізах проводили за допомогою мідь-константанових термопар. При проведенні дослідів використовували мікроконтролер АТМega8-16PI.

Рис. 6. Схема експериментальної установки для дослідження процесів гідродина-міки і теплообміну: 1 – модель РПА; 2 – роторний пристрій; 3 – електродвигун; 4 – ніхромові спіралі; 5 – вимірювальний комплект К-505; 6 – мікроконтролер АТМega8-16PI; 7 – тен; 8 - бак для вихідного продукту; 9 – ротаметр; 10 – об'ємний витратомір; 11 – конденсатор; 12 – вакуумметр; 13, 14 – регулюючі вентилі; 15 – термопари; 16 – датчик частоти

В дослідах початкові параметри змінювали в наступних межах: витрата продукту G=(0,10...2,2)·103 кг/с; частота обертання ротору n=0,15...1,6 с-1; початкова температура продукту tp=50...55°C; середня температура стінки =60...80°C; тиск в системі р=13...15 кПа.

В експериментах застосовувались фруктове пюре з початковою концентрацією сухих речовин 14...15 %. В якості плівкоутворюючих елементів ротору використовували звичайні шарнірні лопаті, шарнірні зрізуючі рамки, шарнірні лопаті зі смугою, що зрізує.

Структурно-механічні показники пастоподібних продуктів з НПОС визначали на ротаційному віскозиметрі Реотест-2. Питому теплоємність пряних овочів вимірювали на диференціальному скануючому калориметрі ДСМ-2М. Дослідження фізико-хімічних і мікробіологічних показників проводили за стандартними методиками, органолептичних – за методикою Тільгнера з урахуванням коефіцієнта важливості окремих показників. Обробку отриманих результатів досліджень проводили методами математичної статистики і кореляційного аналізу.

У четвертому розділі „Дослідження процесів переробки нетрадиційної плодоовочевої сировини” експериментально визначено вплив конструктивних параметрів плівкоутворюючих елементів ротора і параметрів його роботи на ефективність гідродинамічних і теплообмінних показників концентрування фруктових пюре з застосуванням ДПС в РПА. Результати досліджень залежності потужності на валу ротора від витрати продукту при використанні різних типів шарнірних лопатей показують (рис. 7), що за використанням шарнірної лопаті у вигляді зрізуючої рамки потужність на обертання ротора від витрати продукту зменшується порівняно зі звичайною шарнірною лопаттю в середньому на 24 % і зі шарнірною лопаттю зі смугою, що зрізує, на 10 % і це свідчить про зниження негативного впливу носової хвилі та більш сприятливу гідродинаміку плину продукту.

Коефіцієнт тепловіддачі значно залежить від щільності зрошення поверхні теплообміну і його максимальне значення приходиться на ділянку, де масова витрата складає G=(1,2…1,5)?10-3 кг/с (рис. 8), що відповідає умові переходу від основного режиму плівкоутворення у післяосновний. Коефіцієнт тепловіддачі на цьому етапі при використанні шарнірних рамок з кутом зрізуючої крайки 6?

Рис. 7. Залежність потужності на валу Рис. 8. Залежність коефіцієнта тепловіддачі

ротора від витрати продукту: від витрати продукту: Х – шарнірна

Х – шарнірна лопать; ? - шарнір- лопать; шарнірні рамки з кутом зрі-

на зрізуючи рамка; 0 – шарнірна заючої крайки: ? - 6°, 0 – 12°

лопать зі смугою, що зрізує

порівняно зі звичайними шарнірними лопатями збільшується на 19 %, що є результатом інтенсивної циркуляції рідини в плівці.

У РПА з вертикальним корпусом конвективний теплообмін продукту, що випаровується, відбувається в умовах гравітаційного стікання плівки, на яке накладено збурюючий вплив лопатей ротора і дія пухирців пари, що перемішують. В результаті експериментального дослідження теплообміну під час концентрування фруктових пюре з застосуванням ДПС встановлено, що число Рейнольдса за осевою швидкістю Re=5,0410-3, тобто плин продукту ламінарний. Аналіз загального масиву результатів експериментального дослідження теплообміну в РПА дозволив отримати критеріальне рівняння для визначення коефіцієнта тепловіддачі від робочої поверхні РПА до продукту

, (18)

де критерій Нуссельта Nu=бд/л, критерій Рейнольдса відцентровий Reц=хдс/з, критерій Прандтля Pr=зcp/л. Поправки (хпл/х), (хкип/х) і Пг=(вzh/рDд) враховують вплив на теплообмін гравітаційного стікання плівки, кипіння в ній і геометрії кінцевих елементів лопаті відповідно; - швидкість руху пухирців пари; - швидкість гравітаційного стікання плівки уздовж осі РПА; - лінійна швидкість руху кінцевих елементів лопаті; в і h - довжина і висота кінцевого елемента лопаті; zл - число лопатей.

На рис. 9 приведено кореляційне поле для експериментальних і розрахункових значень обумовленого критерію Нуссельта. Відносна похибка критеріального рівняння складає 0,94 %.

Рівняння (18) справедливо в наступних межах: Reц =(87,27...115,2)·10-3; хпл =(3,190...5,561)·10-3 м/с; хкип =(4,442...10,228)·10-3 м/с; (хпл/х) (2,502...4,362)·

·10-2; (хкип/х) =(3,484...8,014)·10-2.

Експериментально досліджено специфічні особливості концентрування пюре з застосуванням ДПС від 10...13 % до 28...30 % сухих речовин (СР). Як вихідний параметр, що визначає ефективність випаровування, обрано ступінь розподілу продукту Кр=Vкон/Vвих, де Vкон, Vвих – об’єми концентрату і вихідного фруктового пюре, м3 (рис. 10). Найбільш стабільне видалення вологи з продукту відбувається в межах витрати (0,8...1,8)?10-3 кг/с, де швидкість змінювання Кр максимальна. Встановлено область ефективного застосування РПА для випаровування фруктових пюре, що знаходиться в межах поверхневого навантаження 0,044...0,122 кг/(м2?с).

Рис. 10. Залежність коефіцієнта розподілу продукту Кр від витрати

продукту G при р=15 кПа: ? - t=60°C; ? - t=70°C; ?- t=80°C

Інтенсифікація уварювання плодів в 65 % цукровому сиропі, що готується на основі пряного маринаду, відбувається за рахунок регулювання залишкового тиску у вакуум-випарному апараті з 70...74 кПа в періодах варення до 30...40 кПа в періодах охолодження. Необхідна концентрація СР в плодах 70 % досягається після чотирьох циклів (варення – 13 хв, охолодження – 10 хв) обробки (рис. 11). Внаслідок випаровування вологи з сиропу його концентрація збільшується з часом від 65 до 82 %. Експериментально кінетична залежність концентрації СР в плодах співпадає з розрахунковою в межах похибки. Завдяки раціональним режимам підготовчих

Рис.11. Кінетика концентрації СР в процесі уварювання плодів із ДПС:

експериментальні в плодах; в сиропі;

розрахункові; відмічені періоди варення “В” і

охолодження “О”; І-ІV цикли обробки

операцій з сировиною (витримування у пряному маринаді), а також зменшення залишкового тиску у вакуум-випарному апараті під час охолодження тривалість уварювання плодів в цукровому сиропі під час виробництва цукатів скоро-чується на 15...20 %.

Під час досліджень процесів виробництва пасти з пряних овочів і зелені вивчено кінетику деформаційних характеристик суміші подрібнених пряних овочів, що підпресовуються у розчині кухонної солі і лимонної кислоти (рис. 12). Залежно від розміру частинок овочів і напруження підпресовування встановлено, що під час підпресовування суміші головний вплив на тривалість цього процесу чинить величина періоду релаксації напруження в шарі продукту, що складає 617 с, а не дифузія розчину в продукт (табл. 3). З урахуванням періоду релаксації і наступної НВЧ-обробки овочів загальна тривалість процесу складає 770...800 с.

Таблиця 3

Параметри реологічної моделі суміші пряних овочів

Лінійний розмір стружки

hc, мм | Питоме напруження стискування

, кПа | Період релаксації , с | Елементи моделі

G1, кПа | G2, кПа | , Па?с

1,5 | 2,17 | 617 | 20,416 | 8,512 | 37,14

3,5 | 2,17 | 378 | 37,680 | 3,290 | 11,40

В п’ятому розділі „Розробка ресурсозберігаючих способів виробництва харчових напівфабрикатів з нетрадиційної плодоовочевої сировини” обґрунтовано доцільність цілеспрямованого збереження БАР в маловідхідних процесах переробки нетрадиційної плодоовочевої сировини.

Для розрахунку РПА, а також іншого технологічного обладнання в лінії для виробництва фруктових паст з застосуванням ДПС визначено структурно-механічні властивості пюре і паст в залежності від компонентного складу, температури, діаметру дисперсної фази і напруження деформації. Встановлено, що додавання ДПС у яблучне пюре збільшує граничне напруження зсуву в середньому на 45 %. Розмір частинок пастоподібної маси сировини значно впливає на якість, характер зв’язку компонентів продукту і його стан під час теплової обробки і зберігання. Зі зменшенням діаметра частинок продукту від 3 до 0,1 мм його ефективна в’язкість зменшується в 13...16 разів. Під час обробки в РПА за температури 60...70 ?С структура продукту руйнується і його в’язкість зменшується від початкової (20?С) приблизно в 5,9 разів. Для апроксимації експериментальних даних отримано рівняння залежності ефективної в’язкості фруктового пюре з додаванням ДПС зеф від швидкості зсуву і температури t

(19)

де В0=451; mo=0,00287; b=8,145; k=4,258 коефіцієнти регресивної залежності для пюре з яблук, хеномелесу та бузини чорної.

Карта рівнів ефективної в'язкості пюре в залежності від швидкості зсуву і температури приведено на рис. 13.

Під час концентрування в РПА під дією лопатей ротора продукт додатково подрібнюється. Визначено розмір дисперсної фази продукту на виході з апарата (рис. 14). Аналітична обробка кривої розподілу частинок пасти за розмірами дозволила визначити, що кількість частинок з діаметром 1,1?10-5 м у максимумі розподілу складає 38 %. Така гомогенізована дрібнодисперсна структура розширює технологічні можливості застосування паст і запобігає їх розшаруванню в процесі зберігання.

Рис. 13. Карта рівнів ефективної в’язкості Рис. 14. Об’ємний розподіл часток

Пюре з ДПС у залежності від фруктової пасти за розмірами

Швидкості зсуву і температури

На підставі результатів проведених досліджень запропоновано способи виробництва напівфабрикатів високого ступеня готовності: фруктових паст з застосуванням ДПС, цукатів з дикорослих плодів, паст з пряних овочів і зелені.

Способи виробництва фруктових паст „Світанок, „Веселка” і „Бадьорість” відрізняються від традиційних яблучних складом сировини, особливістю попередньої обробки і використанням для концентрування пюре РПА. Основними особливостями виробництва цукатів з дикорослих плодів є заміна операції бланшування на витримування плодів у пряному маринаді, що готується на основі екстракту ароматичних трав, а також їх вакуумне уварення в цукровому сиропі з регулюванням залишкового тиску в апараті. Спосіб виробництва паст з пряних овочів і зелені відрізняється спільною обробкою коренеплодів, стебел і зелені, основними операціями якого є підпресування подрібнених коренеплодів і стебел у 3 % розчині NaCl і лимонної кислоти й наступна їх обробка в НВЧ-полі.

Оцінку якості готових виробів було проведено за структурно-механічними, мікробіологічними, фізико-хімічними і органолептичними показниками. Аналіз результатів фізико-хімічних показників фруктових паст з застосуванням ДПС свідчать про суттєве їх збагачення у порівнянні з яблучною пастою (контроль) в середньому: аскорбінової кислоти в 5,2 рази, пектинових речовин на 22 %, органічних кислот в 2,1 рази, фенольних сполук – антоціанів в 3,6 рази, катехінів в 1,9 разів. Нові пасти на відміну від яблучної містять каротиноїди від 0,12 до 1,2 мг/100 г. Структурно-механічні показники розроблених паст мають більш високі значення ніж контрольна, що свідчить про зміцнення консистенції і позитивно впливають на технологічні можливості продукту. За рахунок зниження температури і тривалості обробки пюре в РПА значно зменшились втрати БАР і це дозволило отримати пасти високої якості зі сприятливими органолептичними показниками. Аналіз хімічного складу цукатів з диких яблук і груш свідчить, що розроблені вироби містять значну кількість БАР, яка перевищує аналогічні показники у цукатів з культурних яблук і груш в середньому: аскорбінової кислоти – в 1,73 рази; пектинових речовин – в 1,35 рази; фенольних сполук – в 1,4 рази і мають більш привабливі органолептичні показники. Під час оцінки показників якості пасти з пряних овочів і зелені відмічено, що паста є цінним джерелом аскорбінової кислоти, ?-каротину, клітковини і мінеральних речовин. Використання нетрадиційної овочевої сировини (стеблів) і не тривале теплове оброблення в НВЧ-полі дозволило підвищити харчову цінність пасти і зменшити втрати сировини. Усі розроблені продукти відповідають умовам санітарної безпеки.

У шостому розділі “Розробка прогресивного обладнання для виробництва харчових продуктів з нетрадиційної плодоовочевої сировини” наведено технологічні вимоги і завдання на проектування конструкцій обладнання для попередньої і основної теплової обробки ДПС, їх будову і принцип дії. Обладнання призначено для експлуатації на консервних підприємствах малої потужності, що займаються переробкою плодоовочевої сировини.

Пристрій УПТОДС-150 (рис. 15) призначено для попередньої теплової обробки дикорослої сировини і відрізняється від традиційних наявністю змінних укладок, що обертаються зі швидкістю 10 хв-1 в об’ємі теплової камери, яка обігрівається парою. Для бланшування плодів водою або парою і витримуванні у розчині або пряному маринаді, екстрагування ароматичних трав призначено сітчастий укладник, а для підсушування плодів – тарільчастий. Привод для обертання укладника змонтовано на консолі опори, що встановлено на возику. За відповідності основних показників технічної характеристики УПТОДС-150 традиційним апаратам для попередньої теплової обробки сировини за невеликою продуктивності лінії до 150 кг/год, загальна тривалість обробки сировини скорочується в середньому на 14…21,8 %, спрощуються вантажно-розвантажні операції, зменшуються втрати маси на 5 %.

Роторний плівковий апарат РПА-200-0,82 (рис. 16) призначено для концентрування фруктових пюре з використанням ДПС до вмісту СР 28...32 %. З врахуванням теплофізичних властивостей продукту удосконалено конструкцію

а)

б) в)

Рис. 15. Пристрій для попередньої теплової обробки дикорослої сировини УПТОДС-150: а- схема пристрою; б – сітчастий укладник; в- тарільчастий укладник; 1 – варильна судина; 2 – корпус; 3 – кожух; 4 – теплова ізоляція; 5 – оболонка парова; 6,7 – вентилі; 8 – барботер; 9 – кран; 10 – відбивальні ребра; 11 – змішуач; 12 – продувний кран оболонки; 13 – конденсатовідвідник; 14 – кришка; 15 – запобіжний клапан; 16- продувний кран; 17 – змінний укладник; 18 – привод для