Дослідження тепломасообмінних процесів отримання розчинного порошку з топінамбура

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Український державний університет

харчових технологій

На правах рукопису

Шутюк Віталій Володимирович

УДК 664.047, 547.416,

Дослідження тепломасообмінних процесів отримання розчинного порошку з топінамбура

Спеціальність 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ УДУХТ 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Бессараб Олександр Семенович,

кафедра “Машини та апарати харчових виробництв” Українського державного університету харчових технологій, проректор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гришин Михайло Олександрович,

кафедра “Технологія молока та сушіння харчових продуктів” Одеської державної академії харчових технологій, професор

кандидат технічних наук, доцент

Яровий Володимир Леонідович,

кафедра “Технологічне обладнання харчових виробництв” Українського державного університету харчових технологій, доцент

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості

Захист відбудеться “ 25 ” листопада 1998 року о 16.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Українського державного університету харчових технологій за адресою:

252033, м. Київ_33, вул. Володимирська, 68, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий “ 23 ” жовтня 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент В.Л. в'ялов

Загальна характеристика роботи

сушіння екстракт топінамбур концентрат

Актуальність теми. Складний екологічний стан в Україні вимагає постійного вживання населенням продуктів з радіопротекторними властивостями. Великі перспективи в цьому напрямі відкриває топінамбур. Його використовують для виробництва дієтичних, кисломолочних продуктів, а також хліба, хлібобулочних виробів, плодоовочевих та молочних консервів, напоїв тощо. Але подальше розширення асортименту і специфіка виробництва багатьох продуктів значно спрощується з використанням топінамбура у вигляді порошку.

Спроба промислового перероблення топінамбура на базі апаратурної схеми цукрового заводу з метою одержання цукрози у кристалічному вигляді показала недоцільність такої технології. Інші схеми одержання концентратів також були складними, громіздкими, потребували дорогих іонообмінників і мембран, використання хімічних речовин, що забруднюють навколишнє середовище.

Спроби перероблення топінамбура закінчувались одержанням концентрованого екстракту топінамбура. Перспективним є сушіння концентрату, оскільки разом з простотою використання розчинного порошку у виробництві значно спрощуються умови його зберігання та транспортування.

Враховуючи медичне спрямування продуктів з топінамбура -- рослини, яка містить значну кількість амінокислот, актуальними є питання вивчення причин утворення нітрозамінів (НА) і розроблення технології одержання сухого екстракту топінамбура зі зменшеним вмістом канцерогенів і нітрозамінів.

Метою роботи є розроблення та наукове обґрунтування технологічних процесів одержання сухого екстракту топінамбура зі зменшеним вмістом нітрозамінів, дослідження процесу сушіння екстракту топінамбура, вивчення причин утворення нітрозамінів у теплових процесах, вивчення теплофізичних характеристик екстракту топінамбура, розроблення і відпрацювання режимів сушіння екстракту в розпилювальній сушарці.

Виходячи з мети дисертаційної роботи були сформульовані такі завдання дослідження:

розробити і відпрацювати режими сушіння екстракту топінамбура в розпилювальній сушарці;

вивчити процеси утворення нітрозодіметиламіну під час теплового оброблення екстракту топінамбура у виробництві сухого екстракту на стадіях екстракції, концентрації та сушіння;

визначити режимні та конструктивні параметри пристроїв для спалювання газу за кінетичним принципом;

визначити теплофізичні характеристики концентрату екстракту топінамбура за різних концентрацій та температур;

вивчити перебіг процесів тепло- і масообміну під час сушіння концентрату екстракту топінамбура в розпилювальній сушарці.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі комплексних досліджень одержані такі наукові результати:

вперше розроблено і науково обґрунтовано технологічний процес виробництва сухого розчинного порошку з топінамбура;

визначені й досліджені основні фактори, які впливають на синтез НА в процесах: екстрагування -- це температура і кислотність середовища; концентрації -- температура випарювання; сушіння -- концентрація окислів азоту та вуглецю в сушильному агенті;

розроблено теплогенератор контактного типу, який дає можливість одержувати сушильний агент з низьким вмістом окислів азоту;

вивчені основні теплофізичні характеристики концентрованого екстракту топінамбура та розроблені математичні моделі зміни його густини і теплопровідності від зміни температури та концентрації, які забезпечили якісне оброблення дослідних даних з сушіння екстракту топінамбура;

експериментально визначені раціональні параметри сушильного процесу (початкова концентрація екстракту топінамбура становить 30-33 % СР, початкова температура сушильного агента - 140...180 °С);

розроблена математична модель сушіння екстракту топінамбура в розпилювальній сушарці.

Практична цінність та реалізація результатів роботи. Одержаний, на основі розробленої апаратурно-процесної схеми, сухий розчинний порошок екстракту топінамбура дає можливість розширити асортимент виробництва харчових продуктів дієтичного спрямування і значно зменшити вміст канцерогенів у них.

Удосконалено теплогенератор контактного типу з низьким вмістом окислів азоту в сушильному агенті для сушарок, які використовуються в харчовій і переробній промисловостях.

Рекомендовані режими екстрагування, випарювання та сушіння в розпилювальних сушарках екстракту топінамбура.

Очікуваний річний прибуток при виробництві 1 тис. тон сухого розчинного екстракту топінамбура становить близько 700 тис. грн.

Достовірність роботи. Достовірність отриманих результатів, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасних методів експериментальних досліджень, сучасних вимірювальних приладів, багаторазовою повторюваністю лабораторних та напівпромислових досліджень.

Особистий внесок здобувача полягає в організації та проведенні наукових досліджень у лабораторних та виробничих умовах, оброблені та узагальненні результатів досліджень, їх теоретичному обґрунтовані, публікації результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на семи наукових конференціях: Міжрегіональній науково-практичній конференції “Пищевая промышленность-2000” (Казань, 1996 р.), IX Міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”(Одеса, 1996 р.), Міжнародному молодіжному симпозіумі “Техника и технология экологически чистых производств” (Москва, 1996 р.), 2-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Управління енерговикористанням” (Львів, 1997 р.), другій національній науково-практичній конференції “Хлібопродукти _ 97” (Одеса, 1997 р.), Міжнародній конференції “Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых” (Одеса, 1997 р.) та Науково-практичній конференції “Підприємства і цехи малої потужності для переробки сільськогосподарської сировини: ефективність і особливість організації”, (Полтава, 1997 р.).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Роботу викладено на 119 сторінках основного тексту. Дисертація ілюстрована 36 рисунками та 8 таблицями. Список використаної літератури містить 144 вітчизняних та зарубіжних джерела.

Публікації. З теми дисертаційної роботи опубліковано 15 друкованих праць та одержано один патент України.

Основний змІст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета та основні завдання досліджень, показані наукова новизна та практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі наведена характеристика хімічного складу топінамбура, показана його біологічна цінність, обґрунтована необхідність виробництва сухого розчинного порошку топінамбура. В результаті аналізу розвитку виробництва продуктів з топінамбура, показана економічна неефективність одержання фруктози в твердому вигляді шляхом концентрації за аналогією з цукровим виробництвом.

Обґрунтовано метод сушіння розпиленням екстракту топінамбура і розглянуто його теоретичні основи. Зроблено огляд методів розпилення суспензій, який свідчить про необхідність використання відцентрового розпилення. Як сушильний агент вибрано повітря.

Показана проблема забруднення продуктів з топінамбура під час теплових процесів канцерогенними речовинами, а особливо нітрозодіметіламіном (НДМА), включеним серед інших нітрозосполук Міжнародним агентством з вивчення раку (МАВР) до числа сполук, канцерогенні властивості якого не викликають сумніву. Наведено механізм утворення нітрозамінів та розглянуто методи пониження концентрації оксидів азоту в сушильному агенті.

Другий розділ присвячений дослідженню впливу теплових процесів на утворення канцерогенних речовин у виробництві сухого розчинного порошку з топінамбура.

Для визначення НДМА в екстракті топінамбура використовувалась методика, розроблена Інститутом харчування Російської федерації. Методика ґрунтується на подвійній дистиляції НДМА в лужному (рН=8) і кислому (рН=3) середовищах однорідної диспергованої проби з наступним екстрагуванням хлористим метиленом, зневодненням розчину прожареним сульфатом магнію і концентруванням екстракту.

Результати дослідів, проведених з топінамбуром сорту “Інтерес” весняного копання 1994 р., свідчать, що інтенсивність накопичення НДМА під час екстрагування топінамбура зростає зі збільшенням концентрації сухих речовин в екстрагенті, що свідчить про нітрозування амінів і аміногруп під час переходу з клітин стружки топінамбура в розчин азотистої кислоти і продуктів її розкладання. Нітрозуванню також підлягають оксиди азоту, нітрати та продукти їх перетворення. Збільшення активності утворення НДМА в середині процесу екстракції пояснюється тим, що стійкими є тільки вторинні аміни.

Результати дослідів під час концентрації екстракту свідчать про те, що спостерігається перебіг процесів утворення НДМА, характерних для процесу екстракції. Одночасно з подальшим нітрозуванням амінів, нітратів і продуктів їх перетворень під впливом підвищення температури концентрація НА в концентраті екстракту топінамбура зменшується. Цей процес пояснюється леткістю нітрозамінів і тим, що їх носієм є водяна пара.

У процесі сушіння на експериментальній установці (рис. 1) встановлено, що концентрація діоксиду азоту під час проходження через сушильну камеру зменшується, що свідчить про поглинання діоксиду азоту екстрактом топінамбура. Більш інтенсивне поглинання NO2 спостерігається на першій стадії сушіння, що пояснюється наявністю в екстракті значної кількості вільної вологи - поглинача діоксиду азоту.

Рис. 1. Схема дослідної установки для сушіння екстракту з топінамбура з дозуванням окислів азоту: 1-балон з NOx; 2,- ртутний манометр; 3, 5, 7-манометри; 4, 6, 8- редуктори; 9, 15, 18, 22, 25- вентилі; 10, 14- термометри опору; 11- вимірювальний міст; 12- сушильна камера; 13- пластина з екстрактом топінамбура; 16- NOx-аналізатор; 17- адсорбер; 19- вентилятор; 20-електрокалорифер; 21- запобіжний резервуар; 23- капіляр; 24- манометр

На інтенсифікацію процесів утворення НДМА в екстракті топінамбура під час сушіння найбільший вплив справляє концентрація діоксиду азоту в сушильному агенті. Збільшення концентрації діоксиду азоту в сушильному агенті з 0,1 до 0,6 мг/кг призводить до збільшення концентрації НДМА в сухому екстракті топінамбура в 1,23 рази.

Вміст НДМА в сухому екстракті сягає 80 мкг/кг.

У процесі сушіння атмосферним повітрям без дозування оксидів азоту в сушильний агент відбувається утворення в екстракті топінамбура нітритів, нітратів і НДМА, що засвідчується поглинанням екстрактом атмосферного діоксиду азоту.

Для зменшення концентрації діоксиду азоту в сушильному агенті розроблено теплогенератор контактного типу, газ в якому спалюється в кінетичному факелі, а сушильний агент має мінімальний вміст азоту в продуктах згоряння (рис. 2). Він являє собою камеру змішування 3 з патрубком 2 для підведення газу і патрубком 1 для підведення повітря. Вона відокремлена від камери згоряння 6 стабілізуючою решіткою 4, призначеною для розширення сфери регулювання діапазону витрат газоповітряної суміші та усунення місцевого перегрівання в центрі.

Рис. 2. Схема теплогенератора контактного типу: 1,2- патрубок; 3- камера змішування; 4- стабілізуюча решітка; 5- канали 6- камера згоряння

Решітка являє собою диск змінної товщини, що збільшується від периферії до центру в 23 рази. В решітці передбачені наскрізні канали 5, які розширюються в бік камери згоряння. Діаметр каналів збільшується від периферії решітки до центру і визначається за формулою

, , (1)

де - діаметр каналів на периферії решітки; - товщина решітки, яка відповідає діаметру ; - товщина решітки на периферії.

Рис.3. Утворення НДМА в процесі виробництва сухих екстракту топінамбура і його стружки

Таким чином, визначальними факторами, що впливають на вміст НДМА в сухому екстракті топінамбура, є температура і кислотність середовища на стадії екстракції, температура випарювання під час концентрування екстракту, а під час сушіння - концентрування діоксиду азоту в сушильному агенті (рис. 3).

У третьому розділі наведені результати досліджень теплофізичних характеристик екстракту топінамбура, спричинених відсутністю систематизованих відомостей у літературі з цього питання, що не могло забезпечити якісне оброблення дослідних даних. Оскільки екстракт топінамбура за своїм складом подібний до складу плодоягідних соків, то за модель дослідження теплофізичних характеристик було взято дослідження властивостей яблучного і виноградного соків як найбільш вивчених.

Для дослідів використовували екстракт топінамбура з вмістом сухих речовин 1070 %. Температура в дослідах змінювалась від 283 до 373 °К.

В результаті дослідів вивчені такі теплофізичні характеристики: густина ?, коефіцієнт теплопровідності ?, відносна в'язкість ? і теплоємність с залежно від температури t і вмісту сухих речовин СР (рис. 4-7).

Аналіз даних показав, що за постійної концентрації густина лінійно залежить від температури екстракту і може бути виражена таким рівнянням:

(2)

де а і b- коефіцієнти.

Визначивши коефіцієнти а і b графічно і підставивши їх у рівняння (2) одержимо математичну залежність густини від зміни температури і концентрації концентрату:

(3)

Зменшення величини густини концентрату екстракту топінамбура зі зростанням концентрації сухих речовин пояснюється тим, що густина складових сухих речовин менша густини води. Так, за температури 20°С та концентрації 10 % СР густина топінамбура становить 1054 кг/м3, а за концентрації 70 % СР -- 1352 кг/м3.

Залежність коефіцієнта теплопровідності також нескладно виразити математично:

(4)

Для виведення цього рівняння з графіка рис. 6 взяті рівняння залежностей коефіцієнта теплопровідності екстракту топінамбура від температури за постійної концентрації . В результаті одержана система рівнянь:

(5)

Рис. 4. Графік залежності густини екстракту топінамбура від температури і вмісту сухих речовин

Рис. 5. Графік залежності в'язкості екстракту топінамбура від температури і вмісту сухих речовин

Рис. 6. Графік залежності теплопровідності екстракту топінамбура від температури і вмісту сухих речовин

Рис. 7. Графік залежності теплоємності екстракту топінамбура від температури і вмісту сухих речовин

Розв'язком даної системи після математичного оброблення стало рівняння, яке з достатньою точністю описує результати досліджень:

(6)

Зростання величини коефіцієнта теплопровідності зі збільшенням вмісту сухих речовин пояснюється тим, що останні в екстракті топінамбура складаються переважно з цукрів, які мають більший коефіцієнт теплопровідності порівняно з водою.

Аналіз даних рис. 5 свідчить про те, що в діапазоні температур 20…100 °С відносна в'язкість екстракту топінамбура змінюється аналогічно зміні відносної в'язкості виноградного та яблучного соків. У діапазоні температур 60…70 °С спостерігається аномалія (більш різке зниження в'язкості). Це пов'язано зі зміною структури високомолекулярних фруктанів -- відбувається розривання внутрішньомолекулярних зв'язків. Ці значні зміни у високомолекулярних фруктанах призводять до значного зменшення в'язкості.

Питома теплоємність екстракту топінамбура зменшується зі збільшенням концентрації та збільшується зі зростанням температури, що також відповідає характеру зміни питомої теплоємності плодоягідних соків.

Одержані графіки залежності зміни теплоємності концентрату екстракту топінамбура від зміни концентрації та температури дали можливість передбачити одержання загальної залежності у вигляді

(7)

Математичне оброблення одержаних результатів показала, що зміну теплоємності екстракту з максимальною похибкою 2,9 % описує таке відношення:

(8)

Четвертий розділ присвячений вивченню перебігу процесів тепло- і масопереносу в екстракті топінамбура з різними концентраціями сухих речовин в процесі його сушіння. Для цього була спроектована і виготовлена лабораторна дослідна установка (рис. 8), що складається з сушильної камери 9, в середині якої розміщена підвісна рама 7 з екстрактом топінамбура на пластинах 8. Вимірювальні пластини 8 підвішувались до ваг 5 спеціальними підвісками. У процесі сушіння ваги дозволяли вимірювати зміни маси екстракту безперервно. Реєстрація зміни маси проводилась з попередньо заданим інтервалом залежно від потреби. На вході в сушильну камеру встановлено термометр 4 для контролю температури сушильного агенту і термопар 3, який дозволяє через блок управління 2 регулювати нагрівання сушильного агенту в електрокалорифері до заданої температури. Нагнітач 10 являє собою газовий лічильник з електричним двигуном постійної напруги, що дає можливість контролювати витрати сушильного агенту. У зразку встановлювалась одна хромель-копелева термопара, виготовлена з провідників діаметром 0,1 мм. Покази термопари записувались електронним потенціометром 6. Вимірювальна лінія термопар розміщувалася на скляній пластині 8.

Рис. 8. Схема дослідної установки: 1 - електрокалорифер; 2 - блок управління; 3- термопара; 4 - термометр; 5 - ваги; 6 - потенціометр; 9 - сушильна камера; 7 - підвісна рама; 8 - пластини з екстрактом; 9- сушильна камера; 10 - нагнітач

З метою більш грунтовного вивчення закономірностей процесу сушіння в промисловій розпилювальній сушарці нами запропоновано модель сушіння шару екстракту топінамбура на плоскій пластині. При цьому витримувались дві основні умови: товщина шару екстракту топінамбура відповідала середньому радіусу каплі в розпилювальній сушарці (h=r); напруга по волозі в сушильній камері відповідала реальному процесу сушіння в розпилювальній сушарці.

За цих умов робилось припущення, що теплота підводиться у одному напрямку (враховуючи великий тепловий опір пластини), а площина дотику відповідає центру діаметра випарюваної каплі.

Виходячи з прийнятих нами припущень, об'ємний коефіцієнт теплообміну

(9)

віднесений до одиниці поверхні теплообміну, можна записати у такому вигляді:

(10)

оскільки в нашому випадку сумарна поверхня

(11)

де ?і - коефіцієнт теплообміну каплі, Вт/(м2*К); F- площа поверхні каплі, м2; Vk- об'єм сушильної камери, м3; G₂- годинна витрата екстракту, кг/год; h-висота шару екстракту, м; ?₂-густина екстракту, кг/м3; Sпл- площа пластини, м2.

Як відомо, в розпилювальній сушарці теплообмін між розпилювальними частками і сушильним агентам задовільно описується рівнянням

Nu = 2. (12)

Враховуючи припущення, що висота шару екстракту відповідає радіусу каплі () рівняння (9) матиме такий вигляд:

. (13)

Формула об'ємного коефіцієнта теплообміну для нашої дослідної установки матиме вигляд:

. (14)

Проведені досліди з сушіння екстракту топінамбура при температурі сушильного агенту 180 °С і концентрації екстракту 50, 30, 20 і 10 % сухих речовин засвідчили, що характер процесу сушіння визначається вмістом сухих речовин в розчині. Результати дослідів подані у вигляді графіків зміни температури екстракту (рис. 9).

Рис. 9. Термограма сушіння екстракту топінамбура при температурі сушильного агенту 180°С.

Під час сушіння екстракту топінамбура можна виділити п'ять етапів: 1) прогрівання розчину; 2) сушіння з постійною швидкістю (перший період); 3) утворення скоринки і перегрів екстракту (над шаром екстракту утворюється скоринка, температура підвищується до температури кипіння); 4) сушіння з постійною швидкістю вилучення вологи при температурі екстракту, що дорівнює температурі випарювання (другий період); 5) сушіння зі швидкістю, яка спадає у міру наближення температури до температури зовнішнього середовища.

Враховуючи те, що початкова концентрація переважної більшості розчинів, які висушуються на розпилювальній сушарці, дорівнює близько 30 % вмісту сухих речовин, був проведений ряд дослідів з сушіння екстракту топінамбура такої концентрації в межах температур 100180 °С.

Аналіз одержаних дослідних даних (рис. 10) показав, що усі криві мають подібний характер, проте різну кривизну, викликану різним часом сушіння екстракту, але при температурах сушильного агенту нижче 140 °С на термограмах не спостерігається період кипіння. За умови підвищення температури теплоносія зменшується період сушіння. Так, при температурі сушильного агенту 180 °С він становить 60 с, а при 140 °С - 80 с. Слід відзначити, що температура екстракту, за якої починається лінійне підвищення температури, в періоді утворення скоринки не перевищує 65 °С.

Рис. 10. Термограма сушіння 30% екстракту топінамбура при різній температурі сушильного агента

Так, з даних графіка, поданого на рис. 11, видно, що спочатку екстракт підігрівається від початкової температури до критичної точки Кр1, яка становить для 50 %-ного екстракту топінамбура 65 °С. При цьому в даний період випаровується четверта частина вологи, яка міститься в розчині.

Після періоду рівноважного випарювання температура нагрівання екстракту змінюється практично лінійно до точки Кр2, що відповідає температурі 100110 °С. Як і передбачалось, чим менша початкова концентрація сухих речовин в екстракті, тим більший період постійної швидкості сушіння. Наприклад, тривалість перебігу даного періоду під час сушіння 50 %-ного екстракту топінамбура становить близько 20 с, тоді як 10 %-ного - 90 с. Цей період характеризується значною зміною маси екстракту.

Рис. 11. Графіки зміни температури та маси екстракту топінамбура з 50% СР під час сушіння

Другий період спостерігається за умов досягнення екстрактом температури 120 °С і на термограмі має вигляд горизонтальної ділянки. Настає цей період не раптово, а після зменшення швидкості випарювання і утворення скоринки на поверхні.

Другий період найбільш інтенсивний у екстракті з високою концентрацією сухих речовин. Зі зменшенням концентрації розчину він зменшується. Так, за 50 %-ної концентрації екстракту він становить близько 15 с, а за концентрації 10 %-ної - практично відсутній.

Оскільки на початку третього періоду ще наявна значна еластичність, а випарювання вологи хоч і сповільнюється і, але процес сушіння відбувається -- шар екстракту зменшується в товщині. У міру подальшого випарювання товщина скоринки збільшується, що перешкоджає дифузії вологи до поверхні шару. Відповідно більша кількість тепла витрачається на прогрівання екстракту, що спричиняє скипання розчину всередині шару по досягненні температури кипіння.

Нагрівання екстрактів різної концентрації вище точки Кр3, як видно з графіка температурних кривих, має практично однаковий характер зміни температури. Відповідно і час третього періоду для різних концентрацій практично не відрізняється і становить 35 с. Даний період характеризується місцевими розривами скоринки, викликаними значним перевищенням внутрішнього тиску в шарі концентрату над тиском зовнішнього середовища. Процес розривання скоринки триває доти, доки в екстракті міститься волога.

П'ятий розділ присвячений перевірці ступеня достовірності дослідних результатів і на їх основі розробленню технологічних параметрів сушіння екстракту топінамбура.

Для проведення дослідів на напівпромисловій установці з сушіння екстракту топінамбура нами використовувалась розпилювальна сушарка фірми “Ниро-Атомайзер” продуктивністю 10 кг/год, що дало можливість значно інтенсифікувати процес сушіння за рахунок максимального зменшення розміру часток. Це сприяє створенню значної поверхні випарювання дрібнодисперсних капель розчину і, відповідно, дає можливість використання сушильного агенту з температурою до 200 °С під час сушіння термолабільних харчових матеріалів, до яких відноситься екстракт топінамбура. Невисока температура висушуваного матеріалу і швидке сушіння (декілька секунд) дозволяють одержати сухий порошок практично з повним збереженням харчових і біологічно активних речовин.

Досліди показали, що максимальна видатність за сухим продуктом установки досягалась сушінням концентрату екстракту топінамбура з початковою концентрацією сухих речовин 30...35 %, початковою температурою сушильного агенту 160 °C і становила 3,2 кг/год. За умови зменшення початкової концентрації продукту видатність сушарки падала через обмеженість продуктивності за випареною вологою, а у разі збільшення початкової концентрації спостерігалось налипання продукту на стінки камери в площині диску. Висота камери була достатньою для значного збільшення витрат екстракту.

Збільшення кількості теплоносія, який подається в камеру, а відповідно і його швидкості від 0,25 до 0,4 м/хв різко підвищує інтенсивність сушіння, збільшуючи витрати тепла на 1 кг випареної вологи з 3,8 до 5,4 кДж. Якщо одночасно зі збільшенням витрат повітря зменшити його температуру, витрати теплоти зменшаться, але знизиться і кількість вологи, випарюваної в площині диску, що може призвести до налипання продукту на стінки камери.

За температур повітря нижчих від 120 °С екстракт топінамбура не встигає висушитись за час перебування в сушильній камері. Тому для досягнення необхідної вологості сухого продукту потрібно або зменшувати кількість подачі екстракту на вході або збільшувати висоту сушарки. За умови збільшення температури теплоносія понад 200 °С вологість кінцевого продукту задовольняє вимоги технології, але спостерігається потемніння продукту, тобто він підгоряє. Виходячи з даних дослідів можна стверджувати, що початкова температура сушильного агенту повинна дорівнювати 140...180°С.

Досліди з перевірки розробленої математичної моделі проводились за постійної швидкості обертання розпилювального диску. Відповідно, за однієї й тієї самої початкової концентрації екстракту топінамбура практично не змінювався середній діаметр часток. Діаметр розпилених часток через неможливість його заміру в промисловій сушарці визначався за формулою В.Д. Андреєва:

(15)

де w- кутова швидкість розпилювального диску, с-1, і контролювався за розміром часточок сухого порошку.

ЗагальнІ висновки та рекомендацІЇ

1. На основі дослідження хімічного складу та біологічної цінності топінамбура, раціонального зберігання продуктів з нього та потреби розширення виробництва продуктів профілактичного спрямування обгрунтована доцільність одержання сухого розчинного порошку з екстракту топінамбура.

2. Аналіз одержаних даних з визначення забрудненості екстракту топінамбура канцерогенними речовинами показав, що основними факторами синтезу НА в процесі екстрагування є температура екстрагування і кислотність середовища. Інтенсивність утворення нітрозамінів збільшується з підвищенням температури і при кислотності середовища рН”3.

3. Під час проведення дослідів з концентрації екстракту топінамбура спостерігається подальше утворення НА під впливом температури. Одночасно нітрозамінам властива леткість, через що вони частково вилучаються з водяною парою.

4. Дослідження процесу сушіння концентрату дали можливість встановити, що найвпливовішим фактором в синтезі НДМА є концентрація азоту вуглецю в сушильному агенті. Збільшення концентрації діоксиду азоту однозначно веде до збільшення вмісту НДМА в сухому екстракті.

5. Проведений огляд наукової літератури та детальне ознайомлення з теплогенераторами показали ефективний метод зменшення концентрації оксидів азоту в продуктах згоряння, який грунтується на зменшенні температури полум'я за спалювання газу за кінетичним принципом з великими надлишками повітря.

6. На основі експериментальних досліджень з вивчення впливу основних факторів на утворення НДМА під час сушіння екстракту топінамбура та детального ознайомлення з процесами згоряння газу розроблено (патент України № 17785 А від 20.05.97 р.) теплогенератор контактного типу з низьким вмістом окислів азоту в сушильному агенті для сушарок, які використовуються в харчовій і переробній промисловостях.

7. Для перенесення одержаних на лабораторній установці експериментальних даних на промислову сушарку за допомогою математичної моделі процесу сушіння досліджені основні теплофізичні характеристики екстракту топінамбура -- густина, коефіцієнт теплопровідності, кінематична в'язкість та теплоємність залежно від температури та вмісту сухих речовин.

8. З метою визначення оптимальних режимів сушіння екстракту топінамбура в розпилювальній сушарці зі значним зменшенням числа експериментальних дослідів розроблена математична модель теплообміну в процесі сушіння розпиленням.

9. На основі експериментальних досліджень з сушіння на розпилювальній сушарці фірми “Ниро-Атомайзер” встановлена можливість одержання сухого розчинного порошку з топінамбура.

10. Визначені раціональні параметри сушильного процесу (початкова концентрація екстракту топінамбура становить 3033 % СР, початкова температура сушильного агенту - 140…180 °С.)

11. На основі проведених досліджень розроблено технологічні режими основних процесів одержання сухого розчинного порошку з екстракту топінамбура з низьким вмістом НА в кінцевому продукті.

Список основних ОПУБЛІКОВАНИХ робІт за темою дисертацІЇ

1. Бессараб А.С., Шутюк В.В. Определение теплопроводности экстракта топтнамбура. // Хранение и переработка сельхозсырья. - М.: 1997. - № 3. - с. 27-28.

2. Бессараб А.С., Гулый И.С., Шутюк В.В. Исследование теплоемкости и вязкости экстракта топтнамбура и его концентрата. // Хранение и переработка сельхозсырья. - М.: 1997. - № 5. - с. 29.

3. Бессараб А.С., Шутюк В.В. Теплогенератор контактного типа с низким содержанием оксидов азота в сушильном агенте//Наук. праці другої національної наук. практ. конф. “Хлібопродукти_97”. - Одеса, 1997. - с. 63.

4. Шутюк В.В., Бессараб О.С. Дослідження процесу сушіння екстракту топінамбура в сушарці “Ниро-Атомайзер”//Наукові праці УДУХТ.- 1998. -№ 4. С. 21-22.

5. Шутюк В.В., Бессараб О.С. Утворення НДМА в продуктах з топінамбура. //Науч. труды междунар. конф. “Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых”. - Одесса, 1997. - с. 39-41.

6. Шутюк В..В., Бессараб О.С. Дослідження кінетики сушіння екстракту топінамбура//Наук.-практ. конф. “Підприємства і цехи малої потужності для переробки сільськогосподарської сировини: ефективність і особливість організації”, Полтава, 1997. - С. 310-313.

7. Bessarab O.S., Guliy I.S., Shutiuk V.V., Koval I.Y. Investigation of influence of heat processes in formation of NDMA at production food stuff fro jerusalem artichoke //International workshop on inulin as medicine food ingredient. Properties and applications of inulin. Kiev, Ukrainian State University of Food Technologies. -1998. S.11-19.

8. Bessarab O.S., Guliy I.S., Shutiuk V.V., Koval I.Y. Research of some thermal physical properties of extrakt from jerusalem artichoke

//International workshop on inulin as medicine food ingredient. Properties and applications of inulin. Kiev, Ukrainian State University of Food Technologies. -1998. S. 20-26.

9. Патент 17785 А. Газовий пальник. Шутюк В.В., Бессараб О.С., Коваль І.Й. від 20.05.97р.

10. Бессараб О.С., Шутюк В.В., Кашурін О.М., Аністратенко В.О. Утворення канцерогенних речовин в процесі екстракції топінамбура.//К., 1996. -8 с. Деп. в ГНТБ України 10.09.96, № 1802-Ук 96.

11. Бессараб А.С., Шутюк В.В. Исследование образования канцерогенных веществ в процессе получения продуктов из топинамбура.// Тез. докл. Междурегион. науч.-практ. конф. “Пищевая промышленность-2000”. - Казань, 1996. - С. 130.

12. Шутюк В.В., Бессараб А.С. и др. Технология получения сухого екстракта топинамбура. //Тез. докл. на Междунар. молодежном симпоз. “Техника и технология экологически чистых производств”. -М.: 1996. - С. -78-79.

13. Шутюк В.В. , Бессараб О.С. и др. Новый способ обработки жидких пищевых продуктов//Тез. докл. на Междунар. молодежном симпоз. “Техника и технология экологически чистых производств”. -М.: 1996. - С. -17.

14. Бессараб О.С., Шутюк В.В. Вплив теплових процесів на утворення N-нітрозо-диметиламіну в прдуктах з топінамбура. //Тези доп. на IX Міжнар. конф. “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”,Одеса, 1996. - С.-23.

15. Бессараб А.С., Шутюк В.В. Проблема одержання екстракту з топінамбура в сухому вигляді. //Тези доп. на IX Міжнар. конф. “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”,Одеса, 1996. - С.-92.

16. Бессараб А.С., Шутюк В.В. Утилізація теплоти в сушильних установках. //Тези доп. на 2-ій міжнар. наук.-практ. конф. “Управління енерговикористанням”, Львів, 1997. - с. 93.

АНОТАЦІЇ

Шутюк В.В. Дослідження тепломасообмінних процесів отримання розчинного порошку з топінамбура.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв, Український державний університет харчових технологій, Київ, 1998.

Захищається 15 наукових робіт та 1 патент, які містять теоретичні і експерементальні дослідження тепломасообміну під час сушіння екстракту топінамбура у розпилювальній сушарці, утворення канцерогенних речовин у теплових процесах виробництва продуктів з нього, а також основні теплофізичні характеристики екстракту і концентрату екстракту топінамбура.

Ключові слова: сушіння розпилюванням, топінамбур, екстракт, порошок, канцерогени, нітрозодіметиламін, теплофізичні характеристики, сушильний агент.

Шутюк В.В. Исследование тепломассообменых процессов получения растворимого порошка из топинамбура.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спецальности 05.18.12 - Процессы та аппараты пищевых производств, Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 1998.

Защищается 15 научных работ и 1 патент, содержащие теоретические и экспериментальные исследования тепломассообмена при сушке екстракта топинамбура в распылительной сушилке, образование канцерогенных веществ в тепловых процессах производства продуктов из него, а также основные теплофизические характеристики экстракта и концентрата экстракта топинамбура.

Ключевые слова: сушка распылением,топинамбур, экстракт, порошок, канцерогены, нитородиметиламин, теплофизические свойства, сушильный агент.

Shutyuk V.V., Study of Heat and Mass Exchenge Processes for obtaining of Soluble Powder from Jerusalem artichoke.

Dissertation for the scientific degree of a Candidate of engineering scientific on spesialty 05.18.12 - processes and apparatuses for food production, Ukrainian State University of Food Technologies, Kiev, 1998.

15 scientific papers and 1 patent are being defended containing both hteoretical and experimental studies of heat and mass exchange when drying an extract of the Jerusalem artichoke in a spraying drier, formation of cancerogenic substances during thermal processes of making products from it as well as basic thermophysical specifcations of an extract and concentrated products from the Jerusalem artichoke.

Key words: drying through spraying, Jerusalem artichoke, extract, cancerogens, nitodimethylamine, thermophysical properties, drying agent.

Размещено на Allbest.ru

...