Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Одной из важнейших задач многих отраслей промышленности было и остается создание технологий и оборудования, обеспечивающих длительную сохранность нативных свойств пищевых продуктов.
В промышленном масштабе наибольшее практическое применение получили две технологии для достижения длительных сроков хранения продукции. Первая предусматривает её замораживание и дальнейшее хранение в замороженном состоянии. Вторая технология предусматривает удаление из продукта части влаги.
Наиболее широкое применение для сушки биологически активных растворов и пищевых продуктов получил вакуум - сублимационный способ, при котором удаление влаги осуществляется в вакууме испарением при давлениях, превышающих давление тройной точки воды - обычно при 1,9 * 3,9 кПа. Технологический процесс такой сушки состоит из следующих основных операций: отбор и предварительная подготовка сырья, замораживание, сублимационная сушка, упаковка, хранение высушенного бирматериала.
Многолетняя практика и многоплановые научные исследования свидетельствуют о том, что уровень качества сублимированных термолабилышх материалов формируется, при прочих равных условиях, именно на стадии их замораживания. В отраслях прикладной биотехнологии и фармапроизводствах это обстоятельство приобретает решающее значение.
На современном уровне теоретических знаний о взаимовлиянии режимов замораживания и последующим вакуумном сублимационном обезвоживании общепризнанным является факт преимущества быстрого замораживания в условиях низких температурных и интенсивного теплообмена в технологиях производства вакцин, ферментов, лекарственных препаратов и других объектов.
Этим требованиям в значительной мере отвечает использование воздушной турбохолодильной машиной (ВТХМ), детандер которой одновременно обеспечивает низкую температуру (-60+ -120 С) и скорость потока воздуха от 5 до 25 м/с. К преимуществам данной системы хладоснабжения относится использование естественного и, следовательно, дешевого и экологически безопасного хладагента - атмосферного воздуха.
Исследованию процесса быстрого замораживания пищевых продуктов широкого ассортимента низкотемпературным воздухом от детандера ВТХМ были посвящены диссертационной работы Антонова А.А., Бобкова А.В., Стефановой В.А., Шахмеликяна Г.Б. Однако в этих работах не рассматриваются вопросы режимов замораживания во взаимосвязи с процессом сублимационной сушки, а также уровнем качества высушенного материала.
Решению данной проблемы и посвящена диссертационная работа.
Исследования по сублимационной сушке продукта выполнены по руководством д.т.н Семенова Г.В.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ, Разработка процесса предварительного замораживания с использованием низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины, как фактора снижения энергозатрат и повышения качества пищевых продуктов в технологии вакуум - сублимационной сушки.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ работы:
разработать математическую модель расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов с учетом условий теплообмена, обеспечиваемых воздушной турбохололильной машины;
выполнить экспериментальные исследования с целью проверки адекватности результатов аналитических расчетов процесса замораживания, а также получения параметров процесса сублимационной сушки с учетом режима традиционного предварительного замораживания продукта и низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины;
произвести сравнительную оценку качества высушенного биопродукта после предварительного его традиционного замораживания и с использованием низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины;
выполнить расчеты, с использованием разработанной математической модели и определить степень влияния на продолжительность замораживания интервала температур воздуха и скорость его потока, обеспечиваемых турбохолодильной машиной, технологических параметров продукта, а также симметричных и несимметричных условий теплообмена;
провести энергетический анализ работы вакуум - сублимационной установки с использованием, для предварительного замораживания биопродукта, низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины.
Разработана математическая модель расчета продолжительности процесса замораживания низкотемпературным воздухом пищевых продуктов при симметричных и несимметричных условиях теплообмена с использованием интегрального метода теплового баланса и квадратичного полинома распределения температуры при решении уравнения теплопроводности. Модель использует численные методы решения с применением компьютерной программы Maple 7.
Получены экспериментальные данные основных параметров процесса замораживания биопродукта - пшеничной клейковины, с использованием низкотемпературного воздуха от турбохолодильной машины, доказывающие адекватность аналитических расчетов продолжительности замораживания (т) на уровне 1,5 %, коэффициента теплоотдачи (а) - 0,7 %.
Получены, на основе аналитических расчетов, графические зависимости продолжительности процесса замораживания (т) пищевых продуктов класса Пі -мясопродукты в зависимости от температуры воздуха, обеспечиваемой турбохолодильной машиной, технологических параметров продукта и значений коэффициента (к) несимметрии теплообмена.
Разработан, на основе предложенной математической модели, метод расчета безразмерной координаты фронта кристаллизации (єо), определяющей термический центр замороженного продукта и построены графические её зависимости от исследуемых параметров процесса замораживания биопродукта.
Получены результаты расчетов, с использованием компьютерной программы Microsoft Office Excel 2003, коэффициентов корреляции (у) и построены гистограммы, позволяющие количественно оценить степень влияния на продолжительность замораживания (т) и координату термического центра (г0) продукта основных параметров процесса при симметричных и несимметричных условиях теплообмена.
Разработаны номограммы, необходимые для выбора режимов замораживания в технологии вакуум - сублимационной сушки, а также в технологии быстрого замораживания пищевых продуктов, позволяющие определить продолжительность процесса (т) в интервалах температур воздуха (tcp=—60 + -120 С), толщин продукта (L= 0,02 + 0,1 м), начальной его температуры (tHa4= 5 + 25 С) и значений коэффициента несимметрии теплообмена (к= 1,0; 1,5; 2,0).
Получены экспериментальные данные процесса вакуум - сублимационной сушки биопродукта - пшеничной клейковины, доказывающие, что предварительное замораживание низкотемпературным воздухом (tcp= -60 С) от турбохо-лодильной машины позволяет сократить продолжительность дальнейшей её сублимационной сушки на 25 %, и на 50 % — общую продолжительность процесса (замораживание + сушка) в сравнении с режимом традиционного замораживания в условиях кондуктивного теплообмена при температуре (tcp= -30 С).
Получены результаты качественных исследований, выполненных совместно с кафедрой «Органическая химия» МГУПБ, позволившие доказать, что способ сушки биопродукта - пшеничной клейковины с примененной низкой температуры (tcp= -60 С) предварительного замораживания, в сравнении с традиционным режимом (tcP= -30 С), значительно улучает растворимость, пенообразующую и жиросвязывающую способность, что обеспечит эффективное её применение в производстве кондитерских изделий, при изготовлении мясных продуктов.
Разработан метод и получены результаты расчетов, с использованием компьютерной программы Maple 7, величины эксергии четырех процессов, обеспечивающих непрерывную вакуум - сублимационную сушку биопродута - клейковины; замораживания- езш; конденсации - десублимации- екон; сублимации -вф-, работы вакуумного насоса- евак и общей (еобщ) в зависимости от исследуемых параметров процесса: температур нагревателя (tHar= 20 + 60 С), конденсатора (tK0H= -30+ -60 С) и давления в камере (Рк= 50+ 500 Па). Результаты расчетов представлены графическими зависимостями.
Построена гистограмма значений коэффициентов корреляции г, оценивающая степень влияния на общую величину эксергии (е0бШ) исследуемых парамет-
ров процессов и позволяющая определить пути сокращения энергозатрат на работу b3kvvm - сублимационной сушки биопродукта. ' АПРОБАТТИЯ РАБОТЫ:
Основные положения работы обсуждались и докладывались: на международной научно-технической конференции: «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орел, 2010); на заседании кафедры « Холодильная техника» МГУПБ.
Основные положения работы опубликованы в 5 печатных работах, в т.ч.З в реферируемых ВАК журналах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ:
