Харківський державний університет харчування та торгівлі

Пак Андрій Олегович

УДК 664.8.047:634.1/.4

Розробка процесу сушіння плодово-ягідної сировини змішаним теплопідводом зі штучним пороутворенням

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних

та фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Погожих Микола Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі,

завідувач кафедри енергетики та фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Поперечний Анатолій Микитович,

Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського,

професор кафедри обладнання харчових виробництв

кандидат технічних наук

Бичков Ярослав Михайлович,

Полтавський університет споживчої кооперації України, доцент кафедри технологічного обладнання харчових виробництв і торгівлі

Захист відбудеться “2” квітня 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою:
вул. Клочківська, 333, м. Харків, 61051.

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

Автореферат розісланий “29” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.А. Дубініна

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Раціональне використання та зменшення втрат сільськогосподарської продукції – одне з основних завдань харчової промисловості України. Плоди та ягоди є сировиною, що характеризується коротким проміжком часу вегетаційного дозрівання, одночасним дозріванням різних видів плодів та ягід, малими строками зберігання. Тому існує необхідність переробки великої кількості даної сировини за малі проміжки часу. Відомі способи переробки плодів та ягід характеризуються або високими енерговитратами та низькою продуктивністю, або великою кількістю відходів та низькою якістю отриманого продукту. Сушіння є найбільш раціональним способом консервування плодів та ягід, оскільки в сушених продуктах сповільнюються мікробіологічні процеси, а склад поживних та біологічно цінних речовин залишається близьким до природного.

Завдяки величезному внеску в розвиток теорії тепло- та масообміну таких вчених як
О.В. Ликов, А.С. Гінзбург, М.О. Гришин, А.А. Долинський, Ю.Ф. Снєжкін та ін. існує можливість знаходити нові шляхи в напрямку інтенсифікації процесу сушіння, зменшення питомих енерговитрат, удосконалення сушильного обладнання та автоматизації процесу, що сприяє підвищенню якості кінцевої продукції.

Одним з перспективних способів сушіння є сушіння змішаним теплопідводом (ЗТП-сушіння). ЗТП-сушіння має принципові відмінності від широко відомих як у зовнішніх умовах реалізації процесу, так і у характері поводження сировини, що розташовується, усередині спеціального тепло-масообмінного модуля – функціональної ємності (ФЄ). Наявні відмінності даного способу дозволяють отримувати сушені швидковідновлювані продукти та напівфабрикати високої якості з низькими питомими енерговитратами на процес зневоднення. Але даний спосіб не використовувався для переробки плодово-ягідної сировини через те, що структурно-механічні властивості сировини не відповідають необхідним умовам здійснення ЗТП-процесу. Таким чином, розробка процесу ЗТП-сушіння для плодово-ягідної сировини є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до тематичних планів наукових досліджень кафедри енергетики та фізики ХДУХТ у межах держбюджетних тем: №15-02-4Б “Проблеми драглеутворення та сушіння харчових продуктів”, №16-05-07Б “Дослідження фізичних властивостей та процесів переробки харчової сировини” (0105U007472).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка процесу ЗТП-сушіння зі штучним пороутворенням для підвищення продуктивності та енергоефективності сушильних апаратів для плодово-ягідної сировини.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:–

визначити умови та запропонувати способи щодо штучного пороутворення плодово-ягідної сировини під час ЗТП-сушіння;–

розробити методику визначення дійсного коефіцієнту поверхневого натягу для в’язких рідин;–

дослідити вплив внутрішніх чинників процесу ЗТП-сушіння сировини зі штучним пороутворенням, що забезпечують необхідні умови його здійснення (стійкість піни, співвідношення масових часток між сировиною та капілярно-пористим тілом (КПТ), щільність заповнення ФЄ);–

дослідити вплив зовнішніх чинників процесу ЗТП-сушіння, що обумовлюють ефективність зневоднення подрібненої плодово-ягідної сировини (температура сушильного агента, форма та розміри ФЄ);–

дослідити форму та структуру вологи в гігроскопічній області сушених напівфабрикатів з плодово-ягідної сировини термодинамічними та молекулярно-кінетичними методами;–

визначити показники якості сушеного напівфабрикату з плодово-ягідної сировини (колір, вміст вітаміну С, розчинність, набухання, гігроскопічні властивості, мікробіологічні показники);–

розробити конструкційні елементи ЗТП-сушарки для плодово-ягідної сировини;–

впровадити результати дослідження.

Об’єкт дослідження – процес сушіння харчової сировини рослинного походження.

Предмет дослідження – подрібнена плодово-ягідна сировина зі штучним пороутворенням, кінетика сушіння, способи попередньої підготовки сировини, вміст вимороженої та невимороженої вологи у сушених напівфабрикатах з плодово-ягідної сировини.

Методи дослідження – аналітичні, теоретичні та експериментальні з використанням контрольно-вимірювальної апаратури відповідної точності, стандартні та оригінальні методики дослідження харчової сировини, сучасні методи математичної обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень процесу ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини зі штучним пороутворенням уперше:–

розроблено методику експериментального визначення коефіцієнта поверхневого натягу в’язких рідин, яка дозволяє виключити вплив в’язкості рідини та отримувати дійсну величину коефіцієнта поверхневого натягу;–

встановлено, що стійкість піни, отриманої з розчинів метилцелюлози (МЦ) та Na-карбоксиметилцелюлози (NaКМЦ) із включенням подрібненої плодово-ягідної сировини, залежить від розподілу пузирчиків піни за радіусами, який регулюється масовими частками МЦ та NaКМЦ;–

розроблено фізичну модель піни як системи капілярів та отримано формулу для визначення швидкості витікання рідини з піни від в’язкості та коефіцієнту поверхневого натягу;–

знайдено, що ступінь навантаження сировини на поверхню ФЄ та температура сушильного агента суттєво впливають не тільки на кінетику ЗТП-сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини, а й мають граничні величини, за яких процес ЗТП-сушіння трансформується у конвективне сушіння;–

встановлено, що стійкість піни та спосіб змішування сировини з КПТ мають визначальний вплив на тривалість сушіння та такі показники якості як набухання та розчинність сушеного напівфабрикату;–

тензометричним, калориметричним та методом електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) отримано нові дані про зв'язок між термодинамічними характеристиками вологи та її молекулярною рухомістю у гігроскопічній області сировини, а саме встановлено значну обмеженість у рухомості молекул води з енергією зв’язку в діапазоні 4…7 кДж/моль.

На технічне рішення, запропоноване у дисертаційній роботі, отримано 1 патент України на корисну модель.

Практичне значення одержаних результатів:–

визначено раціональні режими ЗТП-сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини з піноутворенням;–

визначено раціональні режими ЗТП-сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини з додаванням КПТ;–

розроблено конструкцію ФЄ та робочої камери сушарки для пінообразної сировини;–

визначено основні показники якості сушеної продукції і вимоги до умов її зберігання;–

результати досліджень впроваджені у виробництво та навчальний процес.

Реалізація роботи. Результати роботи впроваджені на СП “Венда ЛТД” (м. Харків, акт від 30.05.2007 р.), комбінаті громадського харчування ДП “Завод ім. Малишева” (м. Харків, акт від 05.06.2007 р.) та в навчальний процес ХДУХТ (акт від 30.05.2007 р.).

Особистий внесок здобувача полягає у розробці методик, проведенні експериментальних досліджень, обробці та аналізі дослідних даних з вивчення процесів ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини, математичній обробці отриманих результатів, розробці технологічних схем виробництва та нових конструктивних рішень апаратного забезпечення процесу ЗТП-сушіння, здійсненні заходів щодо їх упровадження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення наукової роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на Міжнародній науково-практичній конференції “Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі”, присвяченій 65-річчю з дня народження д.т.н., проф., чл.-кор. ВАСГНІЛ Беляєва М.І. (Харків, ХДУХТ, 2003 р.); 4-ій міжнародній конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія і обладнання, організація і економіка” (Святогорськ, 2005 р.); 71-й та 73-й наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді – вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті” (Київ, НУХТ, 2005, 2007 рр.); на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу ХДУХТ (Харків, 2003-2007 рр.).

Публікації. За підсумками результатів досліджень опубліковано 13 наукових праць, у тому числі 8 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України, 1 патент України на корисну модель, 4 тез доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, списку використаних джерел зі 159 найменувань, у тому числі 14 іноземних, та 6 додатків. Роботу викладено на 153 сторінках, вона містить 54 рисунки та 12 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі “Аналіз сучасного стану техніки та технології сушіння плодово-ягідної сировини” наведено огляд літературних джерел і патентних матеріалів, на підставі яких визначено конкретні завдання даної роботи, рішення яких необхідне для досягнення мети. Розглянуто особливості тепло- і масообміну під час ЗТП-сушіння вологої харчової сировини. Встановлено, що ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини до цього не проводилось через блокування процесу внаслідок значної усадки сировини у ФЄ під час зневоднення. Для запобігання усадки сировини під час зневоднювання запропоновано гіпотезу, що ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини можливе, якщо у ФЄ розміщати подрібнену сировину, штучно утворивши її пористість. Під штучним пороутворенням розуміється попередня підготовка сировини, під час застосування якої у процесі сушіння утворюється пористий каркас. З погляду на це, запропоновано дослідити два способи зневоднення плодово-ягідної сировини: при першому – подрібнена сировина змішується з поверхнево-активними речовинами (ПАР), спінюється та висушується; при другому – у подрібнену сировину перед сушінням додається КПТ.

У другому розділі “Методики досліджень, експериментальні установки та математична обробка результатів” наведено характеристику предметів та методів досліджень. Розроблено дві оригінальні експериментальні методики: спосіб визначення коефіцієнта поверхневого натягу в’язких розчинів та низькотемпературний калориметричний метод визначення кількості вимороженої та невимороженої вологи.

Оскільки під час визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця в’язких розчинів виникають труднощі з визначенням дійсного значення сили поверхневого натягу через присутність сили внутрішнього тертя, то дана методика була модифікована. Експеримент багаторазово проводять за різної швидкості опускання чашки з досліджуваною рідиною. За умови, що швидкість опускання чашки є сталою, сума сил, що діють на кільце при цьому, дорівнює нулю:

, (1)

де – сила, що діє на пружину; – сила поверхневого натягу; – сила внутрішнього тертя; – вага еластичної плівки, яка утворюється між кільцем та поверхнею рідини.

З усіх сил, що входять до формули (1), лише сила внутрішнього тертя залежить від швидкості, тому виключивши вагу плівки з експериментальних даних, будують залежність сили, що діє на пружину, від швидкості опускання чашки (рис. 1). Визначивши точку, що відповідає нескінченно малій швидкості чашки, при якій силу внутрішнього тертя можна вважати нескінченно малою, визначають силу поверхневого натягу, з якої розраховують коефіцієнт поверхневого натягу розчину.

Для аналізу динаміки процесу сушіння треба знати про кількість зв’язаної та вільної вологи для того, щоб встановити чинники, що впливають на це співвідношення. Нами було розроблено методику виміру кількості вимороженої та невимороженої вологи, яка дозволяє досліджувати зразки з різним поточним вологовмістом у разі теплового зневоднювання. Ідея методу полягає у вимірі сигналу диференціальної термопари, яка реєструє зміну температури потоку холодного повітря, що омиває вологий матеріал. Теорія методу заснована на рівнянні теплового балансу:

, (2)

де с, с0, св, сл – питомі теплоємності холодоносія, сухих речовин зразка, води та льоду, Дж/(кг·К); ф – тривалість процесу, с; L, с – об’ємна витрата та густина холодоносія, К, кг/м3; (tвих-tвх) – зміна температури холодоносія, К; mнв.в., mв.в. – маса вимороженої та невимороженої вологи, кг; r – питома теплота плавлення льоду, Дж/кг; , , , де Т0, Тк – початкова та кінцева температура зразка, К.

Сигнал, отримуваний під час охолодження вологого об'єкта, можна розділити на три характерні ділянки (рис. 2), відділені на рисунку одна від одної пунктирною лінією. Межею розділу вибирають лінію, що проходить через точку, в якій перша похідна від апроксимаційної функції має екстремум. Площа під першою ділянкою пропорційна кількості теплоти, що виділяється під час охолодження об'єкта до 0°С; площа під другим – кількості теплоти, що виділяється під час кристалізації вологи; площа під третім – кількості теплоти, що виділяється під час охолодження об'єкта до кінцевої температури термостата. Визначивши площу під відповідною ділянкою кривої, розраховують кількість теплоти, що виділяється під час відповідного процесу, а визначивши кількість сухих речовин зразка, розраховують кількість вимороженої та невимороженої вологи в ньому за формулами:

(3)

де wв.в.,wнв.в., w – відносний вміст вимороженої, невимороженої вологи та загальний вологовміст зразка, відн.од.; SI – площа під кривою сигналу від диференціальної термопари, м·с; MI – масштабний коефіцієнт, Дж/(кг·м·с).

У третьому розділі “Дослідження внутрішніх чинників процесу ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини” досліджено внутрішні чинники процесу ЗТП-сушіння сировини з піноутворенням та з додаванням КПТ. ЗТП-сушінням зі штучним пороутворенням різних видів плодово-ягідної сировини з вологовмістом від 80 до 90% (чорна та червона смородина, полуниця, малина, черешня, вишня, слива, шовковиця) встановлено, що характер процесу зневоднення не залежить від природи сировини (тривалість сушіння відрізняється не більше ніж на 5%) і визначається чинниками, які досліджені нижче.

Для ЗТП-сушіння подрібненої сировини з піноутворенням внутрішніми чинниками є коефіцієнти поверхневого натягу та в’язкості, стійкість піни та процеси, від яких вона залежить. Оскільки піноутворююча властивість розчину визначається коефіцієнтом поверхневого натягу, який залежить від концентрації ПАР, то було проведено дві серії експериментів: у першій серії концентрація NaКМЦ змінювалася дискретно від 0,05 до 0,8%, а концентрація МЦ залишалася сталою та дорівнювала 0,09%; у другій – концентрація МЦ змінювалася дискретно від 0,1 до 0,9%, а концентрація NaКМЦ залишалася сталою та дорівнювала 0,2%. Встановлено, що коефіцієнт поверхневого натягу розчинів не залежить від концентрацій NaКМЦ досліджуваного діапазону через насичення поверхневого шару рідини молекулами даної ПАР. З результатів другої серії встановлено, що залежність коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації МЦ має локальний мінімум, наявність якого пояснюється досягненням розчином критичної концентрації міцелоутворення. У разі подальшого збільшення концентрації коефіцієнт поверхневого натягу збільшується. Проведені експерименти дали можливість визначити концентрації МЦ та NaКМЦ, за яких поверхневий натяг вихідних розчинів мінімальний.

Оскільки спінення сировини проводиться з метою утворення штучної пористості, необхідної для протікання ЗТП-процесу, то в процесі зневоднення отримана піна повинна мати достатню стійкість, яка визначається дифузією газу між пузирчиками, стіканням рідини із піни та розривом індивідуальних плівок.

Дифузія призводить до того, що менші пузирчики зменшуються, а більші – зростають, тобто дифузія збільшує полідисперсність піни. Оскільки і МЦ, і NaКМЦ впливають на швидкість дифузії, то був визначений ступінь впливу кожного із цих компонентів на дисперсний склад піни. Дисперсний склад піни визначався методом мікрофотографування. Було отримано функції розподілу пузирчиків за радіусами в піні, отриманій із розчинів, в яких концентрація МЦ змінювалась від 0,4 до 1,4%, а концентрація NaКМЦ дорівнювала 0,24%, та з розчинів, в яких концентрація NaКМЦ змінювалась від 0,24 до 1,0%, а концентрація МЦ дорівнювала 0,5%. З порівняння отриманих функцій розподілу визначено, що радіус найбільш імовірного пузирчика у разі зміни концентрації NaКМЦ у піноутворюючому розчині змінюється незначно, а зі збільшенням концентрації МЦ він зменшується. Таким чином, встановлено, що додавання МЦ зменшує полідисперсність піни, тобто вплив дифузії на руйнування піни зменшується.

Під час дослідження процесу витікання рідини з піни піна розглядалася як система капілярів. При цьому були зроблені припущення, що швидкість витікання рідини з піни у межах досліджуваного часу є постійною, і її плин відбувається лише через те, що гідростатичний тиск більше тиску, що створюється силами поверхневого натягу. Використовуючи формулу Пуазейля, для швидкості витікання рідини з одиниці площі поперечного перерізу стовпчика піни було отримано:

, (4)

де Nпит. – питома кількість капілярів, 1/м2; Rеф – ефективний радіус капіляра, м; h – довжина капіляра, м; б, з – коефіцієнти поверхневого натягу та в’язкості, відповідно, Н/м, Па·с; с – густина рідини, кг/м3; g – прискорення вільного падіння, м/с2.

Експериментально було отримано залежності швидкості витікання рідини з піни від коефіцієнтів в'язкості (рис. 3а) та поверхневого натягу (рис. 3б). Експериментальні дані були апроксимовані функціями виду:

(5)

де , , .

Оскільки апроксимаційні залежності швидкості витікання від коефіцієнтів в’язкості та поверхневого натягу за видом збігаються з залежністю, отриманою з формули Пуазейля, то за значеннями емпіричних коефіцієнтів були розраховані питома кількість капілярів та ефективний радіус капіляра за формулами:

(6)

Їх значення, відповідно, дорівнюють: 1/м2, м. З урахуванням припущень, що піна є монодисперсною, тобто складається з пузирчиків з однаковим радіусом, величина яких м, розрахований середній радіус капіляра м. Отримання величин одного порядку доводить, що така фізична модель адекватна для опису процесу витікання рідини з пін даного складу та може використовуватись для прогнозування старіння піни під час попередньої підготовки та сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини.

Під час ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини з КПТ внутрішніми чинниками є способи підготовки сировини та щільність заповнення ФЄ. Як КПТ використовувалась губка з кукурудзяного крохмалю, що утворюється в результаті ретроградації крохмального клейстеру. Підготовка сировини до сушіння проводилася трьома способами. Перший спосіб полягав у тому, що губку вирізали по формі ФЄ, рідину в ній заміщали соком плодів або ягід; у другому – губку подрібнювали, змішували з подрібненою сировиною; у разі підготовки третім способом висушену, подрібнену до часток розміром губку змішували з подрібненою до такого ж розміру сировиною. У табл. 1 наведено тривалість сушіння, відносну кількість сухих речовин плодово-ягідної сировини в сухих речовинах отримуваної продукції (С) та продуктивність (Пр) під час сушіння зразків, підготовлених кожним із способів, які розраховувались наступним чином:

(7)

де mс.с. – маса сухих речовин плодово-ягідної сировини, кг; mв.с. – маса вологої плодово-ягідної сировини, кг; mп – маса сухих речовин отримуваної продукції, кг; VФЄ – об’єм ФЄ, м3.

Таблиця 1

Дані, отримані для зразків КПТ, підготовлених різними способами

Спосіб підготовки | С, % | Пр, кг/м3 | Тривалість сушіння ф·60-1, с

І | 14 ± 1 | 400 ± 10 | 250

ІІ | 50 ± 3 | 400 ± 10 | 195

ІІІ | 70 ± 5 | 500 ± 15 | 130

Отримані результати показали, що з точки зору збільшення продуктивності, зменшення тривалості сушіння а, відповідно, і енергетичних витрат підготовка сировини за третім способом найбільш раціональна.

З метою визначення раціональної щільності було проведено серію експериментів, об’єктом дослідження в яких була волога губка, отримана із клейстеру з різними масовими частками кукурудзяного крохмалю. Очевидно, що від концентрації крохмалю в клейстері залежить щільність одержуваної губки. Зразки мали однаковий початковий вологовміст, сушіння проводилось за однакових зовнішніх умов. У результаті експерименту були отримані кінетики температури для об'єктів з щільністю 330, 390 і 540 кг/м3 (рис. 4). При цьому тривалість сушіння склала, відповідно, 230, 120 і 205 хв. Мінімум температури, а, відповідно, і максимум швидкості зневоднювання для зразка із щільністю губки 390 кг/м3 (масова частка крохмалю в клейстері 5%) настає швидше, ніж для зразків з іншими щільностями. За зміни щільності відносно даного значення мінімум температури зміщається вправо відносно даного мінімуму, в результаті чого тривалість сушіння зростає. Отримане дало можливість визначити раціональну щільність губки, за якої тривалість сушіння мінімальна.

У четвертому розділі “Дослідження зовнішніх чинників процесу ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини” досліджено такі чинники як температура сушильного агента, форма та розміри ФЄ.

Для розгляду впливу геометричних характеристик ФЄ на процес ЗТП-сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини з піноутворенням використовувались ФЄ з різними відстанями між пластинами. Дослідженнями встановлено, що кінетика сушіння для товщини шару менше 6·10-3 м має типовий для ЗТП-процесу S-подібний характер. З подальшим збільшенням товщини шару крива наближається за характером до кінетики конвективного сушіння. Відзначено, що товщина шару 6·10-3 м являє собою граничну товщину шару, за якої ЗТП-сушіння пінообразної сировини трансформується в конвективне, а тривалість сушіння різко зростає. Позитивні результати щодо збільшення товщини шару пінообразної сировини з метою підвищення питомого навантаження під час ЗТП-сушіння були отримані в ФЄ із плаваючою кришкою. Особливість конструкції даної ФЄ в тому, що верхня кришка, яка являє собою масообмінні та теплообмінні поверхні, що чергуються, розташовується безпосередньо на поверхні сировини і в процесі сушіння переміщається разом з нею. Дана особливість дає можливість уникнути зупинки ЗТП-процесу через усадку. Кінетика сушіння плодово-ягідної сировини з КПТ має типовий для ЗТП-процесу характер. Таким чином, встановлено, що під час сушіння плодово-ягідної сировини з КПТ модифікація ФЄ не потрібна, а під час сушіння з піноутворенням необхідно використовувати ФЄ з плаваючою кришкою. При цьому внаслідок збільшення питомого навантаження, яке для сировини з КПТ складає 12 кг/м2, а для пінообразної сировини – 16 кг/м2, продуктивність ЗТП-сушарки збільшується порівняно з іншими сушарками для плодово-ягідної сировини.

Під час вивчення температури сушильного агента, одного з чинників, що визначають тривалість процесу зневоднення, проводилось сушіння плодово-ягідної сировини з піноутворенням та плодово-ягідної сировини з додаванням КПТ. Швидкості сушіння, отримані за результатами кінетики шляхом знаходження похідної від апроксимаційних функцій, наведені на рис. 5, де w – вологовміст, щ – швидкість сушіння.

Результати експериментів показали, що зі збільшенням температури сушильного агента збільшується швидкість сушіння, при цьому відбувається зміщення максимуму швидкості відносно вологовмісту зразка. Причому для сировини з КПТ зміщення відбувається в область більшого вологовмісту, а для пінообразної сировини – в область меншого. Причиною такої відмінності кривих швидкості є саморуйнування піни, зумовлене в даних інтервалах часу зміною її дисперсного складу, а, відповідно, і зміною ефективного порового простору, від якого істотно залежить характер швидкості сушіння під час ЗТП-процесу. Таким чином, встановлено, що температура сушильного агента під час сушіння пінообразної сировини впливає як на швидкість процесу, так і на характер кінетичних кривих.

Під час дослідження температури сировини в процесі сушіння були отримані кінетики температури пінообразної сировини (рис. 6-а) та сировини з КПТ (рис. 6-б) за різних температур сушильного агента. Результати експериментів показали, що зі збільшенням температури сушильного агента в 1,6 рази (з 50°С до 80°С), температура, за якої наступає максимум швидкості сушіння (мінімум температури), збільшується для сировини з КПТ в 1,3 рази (з 36°С до 47°С), а для пінообразної сировини – в 1,1 рази (з 39°С до 44°С). Таким чином, встановлено, що оскільки кінетика температури під час ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини має характерні локальні екстремуми, то з метою визначення температурного впливу на якість продукції потрібно визначати середньоінтегральну температуру.

Відзначено, що саме така особливість кінетики температури сировини обумовлює низькі витрати енергії, оскільки певна частина акумульованої сировиною теплоти витрачається на випаровування.

У п’ятому розділі “Визначення показників якості отриманої продукції та розробка раціональних режимів сушіння” на основі досліджень органолептичних та фізико-хімічних показників якості отримуваної продукції розроблено раціональні режими ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини.

Сушений напівфабрикат, отриманий за розробленими способами, являє собою крихкі пластівці та крупинки та може використовуватись як барвник або наповнювач для харчових продуктів. Відповідно до ДСТУ 3845-99 “Барвники натуральні харчові” органолептичні показники отримуваної продукції задовольняють нормам.

Під час дослідження температурної дії визначено середньоінтегральну температуру сировини в процесі сушіння за різних температур сушильного агента (табл. 2). Отримані результати показали, що збільшення середньоінтегральної температури відбувається не пропорційно збільшенню температури сушильного агента.

Таблиця 2

Середньоінтегральна температура плодово-ягідної сировини під час ЗТП-сушіння |

Сировина з КПТ | Температура сушильного агента,°С | 50 | 60 | 70 | 80 | Середньоінтегральна температура, °С | 41 ± 1 | 48 ± 155 ± 161 ± 2Пінообразна сировина | Температура сушильного агента,°С | 52 | 60 | 70 | 80 | Середньоінтегральна температура, °С45 ± 1 | 51 ± 1 | 55 ± 1 | 61 ± 2 |

Дослідженнями ступенів набухання та розчинності встановлено, що для зразків, отриманих сушінням сировини з КПТ, дані показники не залежать від температури сушильного агента, а для зразків, отриманих сушінням з піноутворенням зі зменшенням температури сушильного агента, вони зменшуються. Поясненням цьому є зміна дисперсного складу пінообразної сировини, а, відповідно, і пористості отримуваного продукту в процесі зневоднення через збільшення тривалості внаслідок зменшення температури сушильного агента.

Під час спектрофотометричних досліджень встановлено, що найменші зміни кольору по відношенню до вихідної сировини відбуваються для зразка, отриманого за температури 70°С.

Встановлено, що основні мікробіологічні показники отримуваної продукції не перевищують норми. Дослідженнями встановлено, що максимальний вміст вітаміну С спостерігається в зразках, отриманих за температури сушильного агента 70°С, втрати його при цьому склали 15% по відношенню до вихідної сировини. Визначено, що під час зберігання продукції протягом 3-х місяців втрати вітаміну С склали не більше 6%, а протягом 6-ти – не більше 11%. Це вказує на можливість зберігання продукції в герметичній упаковці впродовж 6-ти місяців за умов незначного зменшення вмісту вітаміну С.

Дослідженнями гігроскопічних властивостей встановлено, що зразки, отримані сушінням плодово-ягідної сировини з КПТ, не мають яскраво вираженої асимптоти паралельної вісі вологовмісту на відміну від зразків, отриманих сушінням пінообразної сировини, які мають значну гігроскопічність, і в області високої відносної вологості відбувається їх набухання та грудкування. Таким чином, тривале зберігання продукції, отриманої сушінням з піноутворенням, можливе в герметичній тарі, а продукції з КПТ – у полімерній упаковці за відносної вологості повітря не більше 75%.

Через складність поведінки ізотерм сорбції було проведено дослідження форм зв’язку вологи у гігроскопічній області калориметричним методом. Метод застосовувався для зразків, отриманих сушінням плодово-ягідної сировини з піноутворенням та витриманих в ексикаторах за відносної вологості від 10 до 90%. Дослідження таких зразків проводили за температури в калориметрі -80°С, де вся волога вважається вимороженою. Встановлено, що значення кількості вимороженої та невимороженої вологи, отримані калориметричним методом, корелюють з уявленнями про форми зв’язку вологи, отримані тензометричним.

Методом ЕПР-спінових міток досліджувалась молекулярна рухомість води у гігроскопічній області. Як спінова мітка використовувався іон перехідного металу Mn+2. Зразки вологої губки витримувались в ексикаторах з відносною вологістю від 10 до 90% до досягнення рівноважного вологовмісту. Сигнали ЕПР таких зразків являють собою одиночні симетричні лінії без надтонкої структури, причому ширина лінії збільшується з вологовмістом. Істотне розширення лінії відбувається, в основному, в області мономолекулярної сорбції з енергією зв’язку вологи від 4 до 7 кДж/моль (рис. 7), тобто лише найближче оточення спінової мітки приводить до розширення лінії сигналу. Відзначено, що змазування надтонкої структури логічно пояснити дефіцитом молекул води та наявністю декількох можливих структур кристалогідратів. Встановлено, що кількість та енергія вологи не дозволяють іонам мітки переходити в розчин, що пояснює молекулярно-кінетичні механізми тензометричних та калориметричних результатів. У разі виведення зразків за межі гігроскопічної області відбувається розчеплення спектра сигналу, тобто з’являється вільна волога, яка є середовищем для розвитку мікроорганізмів та протікання біохімічних і ферментативних реакцій.

На основі результатів проведених досліджень розроблено раціональні режими ЗТП-сушіння подрібненої плодово-ягідної сировини з піноутворенням та з КПТ. Основні значення режимних параметрів процесу наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Раціональні режими отримання продукції з плодово-ягідної сировини

Чинник | Сушіння з КПТ | Сушіння з піноутворенням

Спосіб підготовки | висушене КПТ змішується з подрібненою сировиною | спінений розчин змішується з подрібненою сировиною

Концентрація крохмалю, МЦ та NaКМЦ в добавці | крохмаль – 5% | МЦ – 0,5%

NaКМЦ – 0,6%

Співвідношення

добавка:сировина, кг:кг | 1:7 | 1:2

Конструкція ФЄ | з відкидною кришкою | з плаваючою кришкою

Розташування ФЄ в сушильній камері | вертикальне | горизонтальне

Розміри ФЄ, мм | 500Ч500Ч30 | 500Ч500Ч30

Температура сушильного агента, °С | 70 | 70

У шостому розділі “Розробка обладнання для переробки плодово-ягідної сировини та впровадження результатів дослідження” описано технологічну схему та конструкційні особливості сушильної установки для отримання сушеного напівфабрикату з плодово-ягідної сировини. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволили отримати емпіричні співвідношення для розрахунку ЗТП-сушарок для сушіння пінообразної сировини та сировини з КПТ. Відмінністю ЗТП-сушарки для сушіння пінообразної сировини є використання ФЄ з плаваючою кришкою (рис. 8), для застосування якої орієнтація сушильної камери змінена з вертикальної на горизонтальну (рис. 9).

Під час сушіння плодово-ягідної сировини на розрахованих ЗТП-сушарках питомі енерговитрати на кг випаруваної вологи становлять (3,9±0,1)·106 Дж/кг, що зменшує витрати порівняно з іншими конвективними сушарками для плодово-ягідної сировини більш ніж у 1,6 рази, при цьому питома продуктивність по випаруваній волозі збільшується до (9,6±0,6) кг/(год·м2). Випробування дослідного зразка сушильної установки експериментально підтвердили отримані результати.

Раціональність режимів та якість отримуваної продукції підтверджені впровадженням на СП “Венда ЛТД” (м. Харків), комбінаті громадського харчування ДП “Завод ім. Малишева” (м. Харків) та в навчальний процес ХДУХТ.

Висновки

1. Аналізом сучасних способів та техніки сушіння плодово-ягідної сировини доведено перспективність використання ЗТП-сушіння, оскільки даний спосіб характеризується високою якістю отримуваного продукту та низькими енерговитратами. Запропоновано гіпотезу, що штучне пороутворення сприятиме реалізації ЗТП-сушіння для переробки плодово-ягідної сировини.

2. Розроблено два способи зневоднення плодово-ягідної сировини: за першим – у подрібнену сировину додаються ПАР, суміш спінюється та висушується; за другим – в подрібнену сировину перед сушінням додається КПТ. Як ПАР використовуються МЦ та NaКМЦ, як КПТ – губка з кукурудзяного крохмалю.

3. Розроблено оригінальні експериментальні методики: методика визначення коефіцієнта поверхневого натягу в’язких рідин та калориметричний метод визначення кількості вимороженої та невимороженої вологи. Методика визначення коефіцієнта поверхневого натягу заснована на методі відриву кільця та полягає в тому, що під час вимірювання результуючої сили, яка діє на кільце занурене в рідину, створюють умови для руху чашки з рідиною з різними сталими швидкостями. Будуючи залежність результуючої сили від швидкості руху, виключають складову сили, обумовлену внутрішнім тертям, тим самим метод дозволяє виключити вплив в’язкості та отримати дійсний коефіцієнт поверхневого натягу. Калориметричний метод заснований на вимірюванні кількості теплоти, що поглинається або виділяється за сталої температури холодоносія, у ролі якого виступає охолоджене повітря або суміш повітря та пари азоту.

4. Дослідженнями піноутворюючих властивостей та стійкості піни з включенням плодово-ягідної сировини встановлено, що залежність коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації МЦ має локальний мінімум: за концентрації МЦ 0,4% піноутворююча властивість максимальна. Встановлено, що концентрація NaКМЦ впливає на дисперсний склад піни неістотно. Зі збільшенням концентрації МЦ полідисперсність піни зменшується, відповідно зменшується вплив дифузії на руйнування піни. Запропоновано фізичну модель піни як системи капілярів для описання процесу витікання рідини з піни. Визначені залежності швидкості витікання рідини з піни від коефіцієнтів поверхневого натягу та в’язкості. Розраховано середній (2,2·10-5м) і ефективний (6,3·10-5м) радіуси капіляра та питому кількість капілярів (3,126·1011 1/м2) на одиницю площі поперечного перерізу стовпчика піни.

5. Встановлено, що з точки зору підвищення продуктивності та зменшення тривалості процесу зневоднення під час ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини з КПТ найбільш раціональним є спосіб, за якого подрібнена сировина змішується з попередньо подрібненим КПТ. Визначено раціональну щільність КПТ (390 кг/м3), у разі використання якої для сушіння плодово-ягідної сировини тривалість і, відповідно, енергетичні втрати мінімальні.

6. Дослідженнями впливу геометричних характеристик ФЄ на ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини визначено граничне значення товщини шару (6·10-3 м), коли ЗТП-сушіння пінообразної сировини трансформується в конвективне сушіння. Встановлено, що протікання ЗТП-процесу для пінообразної сировини зі збільшенням товщини шару можливе в ФЄ з плаваючою кришкою. Встановлено, що кінетика сушіння плодово-ягідної сировини з КПТ має типовий для ЗТП-процесу характер і не потребує додаткових заходів щодо змінення конструкції ФЄ. Встановлено, що температура сушильного агента впливає не лише на швидкість процесу сушіння плодово-ягідної сировини, а й на характер кінетичних кривих.

7. На підставі результатів досліджень органолептичних та фізико-хімічних показників якості визначені раціональні режими ЗТП-сушіння плодово-ягідної сировини: способи попередньої підготовки сировини; концентрації МЦ (0,5%) та NaКМЦ (0,6%), масова частка крохмалю (5,0%) в добавці; співвідношення сировина:добавка (1:2 – для пінообразної сировини, 1:7 – для сировини з додаванням КПТ); конструкція, розміри та розташування ФЄ; температура сушильного агента (70°С).

8. Термодинамічними та молекулярно-кінетичними дослідженнями форм та структури вологи сушених напівфабрикатів встановлено, що вся волога, яку вони утримують в гігроскопічній області, знаходиться в зв’язаному стані, причому рухомість молекул води, особливо з енергією зв’язку від 4·103 до 7·103 Дж/моль, обмежена. Обмежена рухомість вологи перешкоджає розвитку мікроорганізмів та протіканню біохімічних і ферментативних реакцій.

9. Розроблено ФЄ з плаваючою кришкою та конструкційні особливості сушарки для сушіння плодово-ягідної сировини з піноутворенням. Розроблено технологічну схему для переробки плодово-ягідної сировини, відмінністю якої від стандартних є додаткова операція з внесення добавки. Результати досліджень впроваджені у виробництво та в навчальний процес.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Пак А.О. Влияние теплопроводности и структурно-механических свойств материала на процесс СТП-сушки // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2004 – №2 (8). – С. 35-38.

Здобувачем отримані дані з дослідження температури матеріалів з різною теплопровідністю та різною щільністю заповнення тепломасообмінного модуля.

2. Погожих М.І., Пак А.О. Розробка процесу сушіння рослинної сировини з штучним піноутворенням // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. – Харків: ХДУХТ, 2004. – Ч.1. – С. 568-574.

Здобувачем отримано експериментальні дані під час ЗТП-сушіння рослинної сировини зі штучним піноутворенням, наведено переваги порівняно з іншими способами сушіння.

3. Погожих Н.И., Потапов В.А., Пак А.О. Способ определения свободной и связанной влаги // Науковий вісник Полтавського університету споживчої кооперації України. Серія “Технічні науки”. – 2004. – №2 (13). – С. 44-48.

Здобувачем описано теоретичну основу низькотемпературного калориметричного методу визначення кількості вільної та зв’язаної вологи, розроблено низькотемпературний калориметр.

4. Погожих М.І., Цуркан М.М., Пак А.О. Характеристики приладу для визначення вільної та зв’язаної вологи низькотемпературним калориметричним методом // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонДУЕТ ім. М. Туган-Барановського, 2005. – Вип.13. – С. 177-185.

Здобувачем визначено кількість вільної та зв’язаної вологи для тирси та отримано значення апаратурного фактора низькотемпературного калориметра.

5. Погожих М.І., Пак А.О. Залежність дисперсного складу піни від концентрації піноутворюючих речовин // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонДУЕТ ім. М. Туган-Барановського, 2006. – Вип.14. – С. 196-201.

Здобувачем визначено залежність дисперсного складу піни від концентрації МЦ та NаКМЦ, встановлено закономірності у зміні дисперсності піни з часом.

6. Погожих М.І., Пак А.О. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу в’язких розчинів методом відриву кільця // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонДУЕТ ім. М. Туган-Барановського, 2006. – Вип.15. – С. 148-153.

Здобувачем визначено вплив концентрації МЦ та NaКМЦ на коефіцієнт поверхневого натягу розчинів.

7. Погожих М.І., Захаренко В.О., Пак А.О. Дослідження процесу витікання рідини з піни, отриманої із розчинів МЦ та NaКМЦ // Прогресивні техніка та технології харчових виробництв ресторанного господарства і торгівлі: Зб. наук. пр. – Харків: ХДУХТ, 2007. – Вип.1 (5). – С. 486-492.

Здобувачем отримано залежності швидкості витікання рідини з піни від в’язкості та коефіцієнту поверхневого натягу, визначено ефективний радіус та питому кількість капілярів в піні.

8. Погожих М.І., Пак А.О., Мартиненко К.С., Ключко В.О. Вплив температури сушильного агента на колір та вміст вітаміну С під час ЗТП-сушіння чорної смородини // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонНУЕТ імені Михайла Туган-Барановського, 2007. – Вип.17. – Т.2. – С. 148-153.

Здобувачем досліджено фотометричні характеристики та кількість вітаміну С у порошках, отриманих ЗТП-сушінням чорної смородини.

9. Патент на корисну модель 21672 Україна, МПК А23В7/00. Спосіб обробки фруктово-ягідної сировини / М.І. Погожих, А.О. Пак, В.О. Потапов, М.М. Цуркан – №u200611917; Заявл. 13.11.2006; Опубл. 15.03.2007, Бюл. №3 – 4 с.

Здобувачем розроблено та випробувано спосіб обробки фруктово-ягідної сировини.

10. Пак А.О., Погожих М.І. Кінетика температури при ЗТП-сушінні матеріалів з високою теплопровідністю // Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі: Тези доповідей Міжн. наук.-практ. конф., присв. 65-річчю з дня народження д.т.н., проф., чл.-кор. ВАСГНІЛ Беляєва М.І., 19 листопада 2003 р. – Харків: ХДУХТ, 2003. –
С. 308-310.

Здобувачем отримано експериментальні дані з дослідження пошарових температур у матеріалах з різною теплопровідністю під час ЗТП-сушіння.

11. Пак А.О. Розробка процесу сушіння рослинної сировини з штучним піноутворенням // Наукові здобутки молоді