Научное обеспечение и разработка технологии плодоовощных пюреобразных концентратов методом двухстадийного выпаривания и оборудования для ее реализации

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛОДООВОЩНЫХ ПЮРЕОБРАЗНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ МЕТОДОМ ДВУХСТАДИЙНОГО ВЫПАРИВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальности 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств» и 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

выпаривание продукт парообразный плодоовощной

ВЕРТЯКОВ Федор Николаевич

Воронеж - 2009

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (ГОУВПО «ВГТА»).

Научные консультанты заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Остриков Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Магомедов Газибег Омарович

(Воронежская государственная

технологическая академия)

Официальные оппоненты заслуженный деятель науки РФ,

заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор

Касьянов Геннадий Иванович

(Кубанский государственный

технологический университет),

доктор технических наук, профессор

Шишацкий Юлиан Иванович

(Воронежская государственная

технологическая академия),

доктор технических наук, профессор

Ангелюк Валентин Петрович

(Саратовский государственный

аграрный университет им. Н.И. Вавилова)

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

(ГНУ) Научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности (ВНИИКОП)

Защита диссертации состоится « 19 » ноября 2009 г. в 1330 ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 при Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций

доктор технических наук, профессор Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одно из приоритетных направлений реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» - создание перспективных технологий и оборудования для производства высококачественных продуктов функционально-направленного действия. Важным аспектом развития современной пищевой технологии является создание пюреобразных концентратов, снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет использования широко распространенного сырья и экономичных конструкций оборудования для его обработки. Потребление фруктовых и овощных пюреобразных концентратов (повидло, джемы, пасты, соусы и т. п.) непрерывно растет, соответственно увеличиваются капиталовложения в эту отрасль. В 2007 г. выработано 10873 муб плодоовощных консервов, что превысило уровень 2008 г. на 24,9 %, в том числе фруктовых - 8735,5 муб (рост 28,5 %), томатных - 896,7 муб (рост 4,2 %), овощных - 740,2 муб (рост 5,3 %). За 2008 г. выработано продукции на 2230 млрд р.

Однако, несмотря на высокие темпы роста производства пюреобразных концентратов, уровень их потребления в РФ значительно отстает от уровня, достигнутого в развитых странах.

Показатели качества, внешний вид и привлекательность пищевого продукта во многом определяют потребительский спрос, который напрямую зависит от качества исходного сырья и используемой технологии его переработки. Создание технологий, позволяющих перерабатывать сырье и получать продукт с наиболее полным сохранением качественных показателей, - путь успешного, конкурентоспособного развития любого предприятия пищевой промышленности.

Выпускаемые отечественные вакуум-выпарные аппараты для производства концентрированных фруктовых и овощных пюре отличаются от зарубежных аналогов большей массо- и металлоемкостью, более высокими удельными энергозатратами. При этом проведение процесса не отвечает в полной мере основным его закономерностям, что не позволяет обеспечить стабилизацию термодинамических параметров - давления и температуры в рабочей камере аппарата, а следовательно, получить качественные продукты питания нового поколения.

Значительный вклад в развитие теории выпаривания и производство плодоовощных консервов внесли такие ученые, как И.А. Тищенко, Н.И. Гельперин, М.А. Кичигин, Т.А. Колач, Г.Н. Костенко, Н.Ю. Тобилевич, Е.И. Таубман, Д.А. Лобунцов, А.Г. Левачев, И.А. Андерсон, И.И. Чернобыльский, В.А. Ломачинский, Э.С. Гореньков и др.

Одним из путей создания безотходных ресурсосберегающих технологий является применение вакуумного выпаривания для производства продуктов функционального назначения.

Для получения продуктов высокого качества целесообразно соблюдение научно обоснованных рациональных параметров, обеспечивающих стабилизацию температурного режима, определяемого, в частности, величиной разряжения в рабочей камере, а также проведением процесса выпаривания строго в соответствии с основными его закономерностями. Таким образом, выявление таких закономерностей для производства фруктовых и овощных пюреобразных концентратов - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.

Работа проводилась в соответствие с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА (№ гос. регистрации 0120. 0 603139) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2006-2010 гг.; и планом госбюджетной НИР кафедры технологии хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств (ТХМКП) ВГТА (№ гос. регистрации 01970008815) «Создание и совершенствование ресурсосберегающих технологий при переработке сельскохозяйственного растительного сырья» на 2006-2010 гг.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - научное обеспечение процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания; разработка научно обоснованных рекомендаций по его совершенствованию с моделированием высокоэффективных технологий производства концентрированных пюреобразных продуктов с программируемыми свойствами; создание перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:

разработка на основании системного подхода рекомендаций по обеспечению совершенствования процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания с учетом его специфических свойств;

исследование реологических свойств плодоовощного сырья; определение рациональных технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества плодоовощных пюреобразных концентратов;

- разработка научной концепции моделирования высокоэффективных технологий производства плодоовощных пюреобразных концентратов заданного состава с соответствующим аппаратурным оформлением;

изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания (влияние начальной влажности, температуры, давления и др. на характер протекания исследуемого процесса и качество полученных пюреобразных концентратов) и разработка на этой основе стратегии создания и реализации новых способов производства плодоовощных пюреобразных концентратов сбалансированного состава;

создание математических моделей течения вязкого плодоовощного пюре по вертикальной обогреваемой стенке вакуум-камеры;

изучение влияния основных параметров процесса на механизм формирования структуры пюреобразных концентратов; проектирование функциональных продуктов питания с программируемыми свойствами; исследование показателей качества пюреобразных концентратов и оценка их потребительских свойств;

- разработка технических условий на полученные виды пюреобразных концентратов и технологических инструкций к ним;

создание системы автоматизированного проектирования вакуум-выпарных аппаратов, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов;

разработка перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов для реализации процесса двухстадийного выпаривания и способов автоматического управления процессом для его интенсификации; проведение промышленной апробации полученных результатов с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в консервной промышленности.

Научная концепция: разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации; создание высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов функционального назначения с соответствующим аппаратурным оформлением на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с физико-химическими и структурно-механическими характеристиками исследуемых видов сырья; разработка системы автоматизированного проектирования перспективного вакуум-выпарного оборудования, обеспечивающего рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

разработка комплекса проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания, построение моделей и обоснование выбора рациональных технологических параметров;

определение принципов рационального выбора технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества пюреобразных концентратов;

обоснование принципов и методов интенсификации и создания высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов с повышенным содержанием термолабильных веществ;

обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов производства плодоовощных пюреобразных концентратов; концептуальные подходы по интенсификации процесса выпаривания для повышения его эффективности с оценкой показателей качества продуктов; разработка способов регулирования и управления процессом выпаривания;

методологический подход к созданию системы автоматизированного проектирования оригинальных вакуум-выпарных аппаратов, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов, направленные на интенсификацию процесса выпаривания, сбережение и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания (влияние начальной влажности, температуры, давления нагнетания, а также конструкции и размеров форсунки, величины разряжения в вакуум-камере и температуры термостатирования на физику исследуемого процесса и качество полученных пюреобразных концентратов); обоснована необходимость использования выпаривания мелкодисперсного распыления пюре для сохранения термолабильных питательных веществ.

Предложены оригинальные концептуальные подходы по интенсификации процесса испарения пара из мелкодиспергированных капель пюре, формирующие стратегию рационального производства качественных пюреобразных концентратов; получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать изменение радиуса капли пюре, температуру и скорость мелкодиспергированных капель пюре.

Предложены математические модели, описывающие теплообмен при испарении пара из диспергированной струи фруктовых и овощных пюре и процесс выпаривания стекающей пленки пюре по вертикальной стенке вакуум-камеры. Полученное уравнение скорости охлаждения капли позволяет определить температуру и скорость капель в текущем диспергированном сечении струи фруктовых и овощных пюре.

Выявлены основные закономерности процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении плодоовощного пюре в условиях свободного движения на вертикальной стенке вакуум-камеры. Установлен механизм процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении плодоовощного пюре. Определены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении.

Разработана система автоматизированного проектирования оригинальных конструкций вакуум-выпарных аппаратов, позволяющих решить проблему эффективного ресурсосбережения и интенсификации процесса. Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 21 патентом РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы выпарного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2328124, 2335910, 2335911, 2336726, 2337554, 2337555, 2337556, 2337557, 2338379, 2338380, 2338381, 2341963, 2341964, 2341965). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной схеме линии производства плодоовощных пюреобразных концентратов (пат. РФ № 2320244).

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Получены новые пюреобразные концентраты функционального назначения, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.

Создана методика инженерного расчета вакуум-выпарных аппаратов, подтверждающая высокую эффективность предлагаемых технических решений.

Для реализации ресурсосберегающих высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов разработаны перспективные конструкции вакуум-выпарных аппаратов (пат. РФ № 2319425, 2319426, 2341966), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

Предложены способы автоматического управления процессом производства пюреобразных концентратов с целью интенсификации процесса и получения пюреобразных концентратов высокого качества (пат. РФ № 2337552, 2337553).

Проданы две лицензии на патенты РФ № 2335910, 2336726. Имеется акт о внедрении способа производства пюреобразного овощного концентрата в технологическую схему производства на предприятии ОАОГУП ВО «Садовое». объем экономического эффекта от внедрения способа в производство составит 5,527 млн р.

Достоверность научных разработок подтверждена результатами производственных испытаний технологии производства карамельной фруктовой начинки и помадно-фруктовых конфет с использованием фруктово-овощных подварок (ОАО «Воронежская кондитерская фабрика»).

Разработаны и утверждены технические условия ТУ 9163-002-02069024-2009 «Консервы. Пюре плодовое концентрированное в ассортименте», ТУ 9163-003-02069024-2009 «Консервы. Пюре яблочное и грушевое концентрированное» и технологические инструкции к ним. На технические условия ТУ 9163-002-02069024-2009 получено санитарно-эпидемиологическое заключение № 56.01.06.000.Т.000179.03.09 от 23.03.2009 г., а на технические условия ТУ 9163-003-02069024-2009 - санитарно-эпидемиологическое заключение № 56.01.06.000.Т.000177.03.09 от 23.03.2009 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на международных всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Казань, 2007 г.), (Одесса, 2007 г., 2008 г.), (Воронеж, 2008 г.); (Пенза, 2008 г.); (Москва, 1998 г.); (Тула, 2008 г.); (Тамбов, 2008 г.);

- отчетной научно-технической конференции (Москва, 2008 г.); отчетных научных конференциях ВГТА за 2007-2009 гг.

Результаты работы демонстрировались на 24-й межрегиональной специализированной выставке «Продторг» (Воронеж, 2007 г.), специализированной выставке-ярмарке «Усадьба-2007» (Воронеж, 2007 г.), 25-й межрегиональной специализированной выставке «Продторг» (Воронеж, 2008 г.), выставке «Воронежская промышленная выставка», «Роспромэкспо», по итогам которых работа награждена 5 дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 1 учебник с грифом УМО, 1 монография, 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 21 патент РФ и 1 свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, девяти глав, основных выводов и результатов, литературы из 252 наименований, в том числе 41 - на иностранных языках, объем 333 страницы машинописного текста, приведены 22 таблицы и 179 рисунков. Второй том состоит из 11 приложений объемом 202 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства плодоовощных консервов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы данные о современном состоянии и основных направлениях совершенствования техники и технологии плодоовощных пюреобразных концентратов и основных видах плодоовощных концентратов. Приведена классификация выпарных аппаратов и представлены их конструкции, выпускаемые в России и за рубежом. Рассмотрены основные уравнения процесса выпаривания. Дан анализ достоинств и недостатков математических моделей процесса концентрирования пюреобразных продуктов. На основании проведенного анализа обоснован выбор наиболее эффективных режимов получения плодоовощных пюреобразных концентратов, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определены пути и методы решения поставленных научных проблем и обоснован выбор объектов исследования.

Сформулированы основные принципы, условия и пути решения задач, при которых достигается наибольший эффект производства плодоовощных пюреобразных концентратов с рациональным использованием материальных и энергетических ресурсов.

Во второй главе приведены экспериментальные исследования плодоовощного сырья как объекта изучения.

Исследован характер изменения динамической вязкости плодоовощных пюре на синусоидальном вибровискозиметре SV-10 (Япония) при следующих режимах выпаривания исследуемых пюре: температура Т - 296…313 К, влажность W - 86…68 %. Были получены зависимости изменения динамической вязкости грушевого, сливового (рис. 1), томатного, тыквенного, алычового пюре в исследуемом диапазоне изменения температуры.

Анализ зависимостей изменения динамической вязкости фруктовых и овощных пюре в исследуемом диапазоне изменения температуры показал, что во всех случаях динамическая вязкость фруктовых и овощных пюре имеет тенденцию к снижению при повышении температуры: динамическая вязкость концентрированных пюре (см. кривую 2 на рис. 1) уменьшается по линейному закону, а динамическая вязкость исходных пюре (см. кривую 1 на рис. 1) - по экспоненциальному закону. Подобный характер определяется тем, что вязкостные силы преодолеваются за счет увеличивающейся кинетической энергии молекул. Эффективная вязкость уменьшается и с увеличением скорости сдвига, что обусловлено значительной хаотичностью расположения частиц в неподвижной среде и все большей ориентацией их в направлении течения под действием возрастающих сдвигающих усилий. Полученные зависимости показывают, что фруктовые и овощные пюре можно отнести к аномально вязким дисперсным системам, поведение которых описывается степенным уравнением Оствальда де Виля, а их температурная зависимость вязкости выражается с помощью уравнения Френкеля - Эйринга.

Для правильной организации процесса выпаривания необходимо выявить характер изменения теплофизических характеристик плодовых и овощных пюре. Определение зависимости теплофизических характеристик и плотности исследуемых видов плодоовощных пюре проводилось на измерительной установке Cossfield RT-1394H (National Instruments). Зависимости теплофизических характеристик (коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости) от температуры исследуемых плодоягодных пюре (рис. 2) носят линейный характер.

Влажность оказывает большее влияние на исследуемые теплофизические характеристики (коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости), чем температура.

Из анализа данных (рис. 2) видно, что с повышением температуры удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент температуропроводности исследуемых видов плодоягодного пюре увеличиваются.

Значения плотности исследуемых видов плодоовощных пюре приведены в табл. 1.

Определение влажности плодоовощного пюре производилось с помощью термогравиметрического инфракрасного влагомера FD-610 компании «Kett» (Япония).

Таблица 1

Значения плотности исследуемых образцов плодоовощных пюре

Виды концентрированных пюре	Плотность, кг/м3, при следующих значениях влажности пюре W, %
	20	60
Смородина	907,9	1113,7
Яблоко	898,9	1122,4
Груша	875,9	1258,1
Абрикос	878,3	1176,7
Вишня	914,5	1023,9

Определение поверхностного натяжения исследуемых образцов плодоовощных пюре производили кольцевым методом Дю-Нуи (табл. 2).

Таблица 2

значения поверхностного натяжения фруктовых и овощных пюре

Вид фруктового или овощного пюре	поверхностное натяжение пюре, мн/м, при влажности, W, %
	85	95
Яблочное	44,46	54,86
Томатное	59,99	42,34

В третьей главе рассмотрены вопросы аналитического исследования процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания.

теплообмен при испарении пара из диспергированной струи фруктовых и овощных пюре. При истечении пюре через сопловую форсунку струя распадается на большое число мелких капель. При испарении пара из диспергированной струи плодоовощных пюре теплота перегрева пюре расходуется на парообразование. При этом радиус капли пюре снижается за счет испаряемой влаги. Допустим, что форма капли пюре близка к шарообразной, тогда изменение радиуса капли пюре определяется уравнением:

. (1)

Задаваясь температурой поверхности капли при ее охлаждении и решая дифференциальное уравнение теплопроводности, можно найти величину :

. (2)

Подставляя уравнение (2) в (1), получаем

(3)

Анализ уравнения (3) показывает, что ряд быстро сходится. При Fo > 0,25 обычно удовлетворяются учетом только первого члена. Тогда

. (4)

Проводя расчет по формуле (3) для испарения пара из капли пюре, получаем диапазон изменения радиуса капли пюре R0 = 0,1…0,5 мм.

Считаем, что радиус убывающей капли пюре удовлетворяет уравнению теплового баланса

. (5)

Полагая, что теплотой концентрирования можно пренебречь и потери теплоты в окружающую среду отсутствуют, т. е. = 0, а также, что и , уравнение (5) после ряда преобразований приводится к виду

. (6)

Из уравнения материального баланса выразим количество испаряемой из пюре влаги и считаем, что плотность пюре в процессе выпаривания изменяется мало, т. е. . Тогда

. (7)

Вводя безразмерные переменные , , , уравнение теплового баланса принимает следующий вид:

. (8)

Безразмерная скорость уменьшения капли:

. (9)

Скорость убыли массы капли равна

. (10)

При К >>1 (P ? 1, R ? Rо) уравнение непрерывной скорости убыли капли (10) можно представить в виде

, (11)

где .

Уравнения скорости охлаждения капли (11) позволяют определить температуру и скорость капель в текущем сечении струи. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных показал хорошую сходимость (рис. 3).

Математическая модель процесса выпаривания стекающей пленки пюре по вертикальной стенке вакуум-камеры. В предположении стационарности процесса толщину пленки можно считать д = const. Площадь проходного сечения стекающей пленки пюре

, (12)

средняя скорость течения

; (13)

а средняя скорость изотермического течения плёнки пюре

. (14)

Приравнивая (13) и (14), получим , откуда

, (15)

Подставляя (15) в (13), определим среднюю скорость

.

Распределение скоростей через среднюю скорость таково:

. (16)

Рассчитывая среднюю скорость в плёнке = 0,01 м/с, вычислим значения критериев Пекле Ре = 0,195 и Рейнольдса Re= 0,15. Полученное значение критерия Рейнольдса Re = 0,15 свидетельствует о том, что имеет место ламинарное течение пленки пюре без волнообразования.

Далее рассмотрим тепловую задачу и идентифицируем температуру пюре на выходе из зоны распыления, предполагая, что рассматриваемый процесс стационарный (хx = хy ? 0), переносом теплоты теплопроводностью вдоль течения плёнки можно пренебречь из-за небольших скоростей, т. е. . Тогда обобщённое уравнение энергии без учёта вязкой диссипации имеет вид

, (17)

с краевыми условиями t(x, 0) = t0, t(д, z) = t0, t(0, z) = tг.

С помощью относительных переменных Z = z/h, X = x/д,

T = (t - t0)/( tг-t0), уравнение (17) и краевые условия приведены к безразмерному виду

, (18)

T(X, 0) = 0, (19)

T(1, Z) = 0, (20)

T(0, Z) = 1. (21)

Для решения системы (18)-(21) использовался конечно-разностный метод. Непрерывная область решения представлена дискретной с Т-образным вычислительным шаблоном.

Сохраняя допущение о стационарности процесса и неизменности толщины плёнки от z, векторное уравнение движения среды в компонентном виде для нашего случая имеет вид

; (22)

; (23)

. (24)

Используя уравнение неразрывности

, (25)

уравнения (22)-(24) приводятся к виду:

;

;

;

;

.

Аналогичные преобразования позволяют записать уравнения движения в компонентном виде в напряжениях:

=

;

=

;

.

Считая вязкость пюре переменной и с учетом принятых допущений, в итоге получаем:

. (26)

В нашем случае вид реологического уравнения не зависит от характера течения, поэтому, реологическое уравнение неньютоновской жидкости принимает следующее выражение:

. (27)

С учетом того, что течение пленки медленное, а вязкие силы велики, ускорением можно пренебречь (изменение скорости в направлении x значительно больше, чем в направлении z). Тогда уравнение (26) линеаризуется в следующий вид:

.

Но в этом случае изменяется реологическое уравнение (27)

.

Тогда, окончательный вид уравнения движения таков:

. (28)

После ряда преобразований уравнение энергии принимает окончательный вид

. (29)

Для нашего случая уравнение переноса массы в прямоугольной системе координат следующее

. (30)

К системе уравнений (29)-(30) поставлены граничные условия: на твердой стенке выполняется условие прилипания: ; на свободной поверхности касательное напряжение отсутствует

.

Для нашего случая , т. е. или , поэтому ; на твердой границе ; на поверхности пленки ; на входе в область стекания ; на твердой границе отсутствует поток ; на свободной поверхности плёнки

.

Математическая модель в окончательном виде такова:

;

;

;

;

; (31)

; ;

; ;

.

Приводим систему (31) к безразмерному виду и применяем полученные критерии: - (гидродинамический критерий), - (энергетический фактор), - (массообменный фактор),

Дальнейшее упрощение системы (31) основывалось на оценке составляющих реологического уравнения (27) в части его температурной зависимости. Показано, что в условиях поставленной задачи им можно пренебречь и оставить динамическую и концентрационную составляющие. Это дало возможность сделать процедуру рассопряжения для системы (31), т. е. в отдельности решить уравнение движения в виде , тепловую задачу

.

,

,

и массообменную .

Из полученного решения следует, что расчетная длина стекания пленки алычового пюре составляет м, что практически полностью совпало с экспериментальным значением = 0,209 м. Таким образом, полученная модель позволяет рассчитать высоту вакуум-камеры.

В четвертой главе дано описание экспериментальных исследований процесса выпаривания плодоовощного сырья методом сброса давления. Они проводились на специально сконструированной установке, которая включала в себя автоклав, вакуум-камеру, змеевиковый теплообменник, сборник конденсата, вакуум-насос, станину, пульт управления со средствами измерения и регулирования режимных параметров для контроля и управления процессом концентрирования. Параметры процесса выпаривания плодоовощного сырья изменялись в следующих диапазонах: начальная температура пюре - 396…420 К; давление в автоклаве - 0,15…0,40 МПа, величина разряжения в вакуум-камере - 4…7 кПа; температура стенки вакуум-камеры - 313…368 К.

В качестве объектов исследования использовались клубника, красная и черная смородина, крыжовник, малина, абрикосы, слива, алыча, вишня, персики, помидоры, морковь, свекла, груши, яблоки. Вначале предварительно вымытое, очищенное от семян и косточек фруктовое или овощное сырье подвергали двухкратному измельчению: на первой стадии - предварительному измельчению сырья до размера 5 мм на шнековом измельчителе; а на второй - на коллоидной мельнице КМ-100 до размера частиц 0,3…0,5 мм. Затем измельченное сырье загружалось в автоклав, в котором осуществлялось нагревание исходного пюре до заданных температуры (T = 396…420 К) и давления (Р = (1,5…4,0)105).

Затем пюре распыливалось с помощью сопловой форсунки в вакуум-камере. В результате резкого перепада температуры и давления в вакуум-камере происходило мелкодиспергированное распыление продукта, сопровождающееся мгновенным испарением части влаги, содержащейся в пюре в перегретом состоянии. Затем капельки пюре достигали вертикальной стенки вакуум-камеры и оседали на ней, образуя пленку продукта, постепенно стекающую вниз по стенке под действием сил тяжести.

Для равномерного распыливания струи фруктовых и овощных пюре в вакуум-камере необходимо определить дисперсные характеристики капель пюре и параметры распределения этих капель в рабочем пространстве вакуум-камеры. Наиболее предпочтительным было использование среднего объемно-поверхностного диаметра d32. В результате были получены значения среднего объемно-поверхностного диаметра капель яблочного пюре = 0,180…0,390 мм.

Для оценки однородности распыла был использован критерий гомогенности , который изменялся в диапазоне от 1,389 до 2,081, что свидетельствовало об однородности распыла фруктовых пюре.

Проведенные исследования позволили выявить зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра капель от диаметра соплового отверстия струйной форсунки (рис. 4).

Для определения дисперсных характеристик распыливаемого в вакуум-камере при помощи струйной форсунки яблочного пюре было получено критериальное уравнение

. (32)

Полученное критериальное уравнение (32) позволяет с достаточной точностью (19 %) рассчитать дисперсные характеристики пюре при распыливании его в вакуум-камере.

Важнейшим этапом процесса производства концентрированных фруктовых и овощных пюре методом двухстадийного выпаривания является нагрев и кипение пленки пюре, стекающей вниз по вертикальной стенке вакуум-камеры под действием сил тяжести. В условиях вакуума теплота к паровому пузырьку передается от перегретого слоя пюре на межфазной поверхности, и радиус парового пузырька R определяется уравнением

. (33)

Уравнение (33) получено для величины разряжения в вакуум-камере Р = 2…25 кПа.

Для определения коэффициента теплоотдачи получено критериальное уравнение:

. (34)

Таким образом, исследован механизм образования паровых пузырей при кипении плодовых и овощных пюре на вертикальной стенке вакуум-камеры, и получено критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении пюре в условиях свободного движения по вертикальной обогреваемой стенке.

Интенсивность испарения влаги из пюре определяется величиной разряжения и температуры испаряемых из вакуум-камеры паров при различных режимах распыливания пюре. Установлено, что характер изменения величины разряжения в вакуум-камере и температуры испаряемых из продукта паров указывает на наличие двух стадий процесса выпаривания клубничного (рис. 5, а) и вишневого (рис. 5, б) пюре.

Рис. 5. Зависимость изменения величины разряжения в вакуум-камере Р, кПа, и температуры испаряемого пара Ту.п, С, от времени , с, при выпаривании клубничного (а) и вишневого (б) пюре

На первой стадии процесса выпаривания клубничного пюре, продолжительность которой составляла 60…130 с, происходило увеличение давления Р с 4,0…11,9 до 10,6…12,3 кПа (рис. 5, а) при возрастании температуры испаряемых паров с 305…315 до 311…316 К (рис. 5, б).

Эти изменения давления в вакуум-камере и температуры испаряемых паров обусловлены мгновенным испарением влаги, содержащейся в мелкодиспергированных каплях пюре в перегретом состоянии, за счет резкого перепада давления: давление пюре в автоклаве составляло 0,15…0,25 МПа, а величина разряжения в вакуум-камере - 4…7 кПа.



После прохождения максимальных значений давления и температуры испаряемых паров наступает вторая стадия процесса выпаривания, на которой происходит выпаривание влаги из стекающей вниз по вертикальной стенке вакуум-камеры пленки пюре. Она характеризуется одновременным понижением давления Р с 10,6…12,3 до 9,0…11,1 кПа и температуры Т продукта с 311…316 до 304…311 К. Двухстадийный характер протекания процесса выпаривания клубничного пюре подтверждается зависимостью изменения величины разряжения в вакуум-камере от температуры испаряемого пара (рис. 6).

Был исследован характер изменения интенсивности выпаривания влаги при концентрировании алычового пюре методом распыления в вакуум-камере и последующего выпаривания из него влаги при стекании пленки пюре по обогреваемой вертикальной стенке вакуум-камеры (рис. 7). Выявлено доминирующее влияние температуры термостатирования вертикальной стенки вакуум-камеры (см. рис. 7, а) на интенсивность выпаривания влаги: с ее увеличением от 30,3 до 50,8 С количество выпариваемой влаги увеличилось в 2,26 раза.

Анализ величины разряжения в вакуум-камере (см. рис. 7, б) показал ее значительное влияние на интенсивность выпаривания фруктовых пюре. Причем если на первой стадии выпаривания (во время распыливания алычового пюре при = 0…до 60…120 с) из пюре удалялось 11,2…18,9 % испаряемой влаги, то на второй стадии выпаривания (во время выпаривания пленки пюре на стенке при = от 60…120 до 720 с) - от 88,2 до 81,1 % испаряемой влаги.

Рис. 7. Зависимость массы влаги Vк, кг, выпаренной из алычового пюре, от времени (а), с, и величины давления в вакуум-камере, Р (б), кПа

Таким образом, проведенные исследования по влиянию величины разряжения в вакуум-камере и температуры испаряемых паров на интенсивность процесса выпаривания пюре при различных режимах распыливания позволили получить зависимости, которые легли в основу выбора рационального баротермического режима для сохранения высокого качества готового пюре.

В пятой главе проведены исследования качественных показателей плодоовощных пюреобразных концентратов. Для определения антиоксидантной активности был использован анализатор «Цвет Яуза-01-АА». В результате определена суммарная антиоксидантная активность для вытяжки из свежих и концентрированных пюре алычи, сливы, груши, яблок и томатов (табл. 3). Установлено, что суммарная антиоксидантная активность концентрированных фруктовых и овощных пюре больше антиоксидантной активности свежих пюре. Поэтому употребление в пищу продуктов с повышенным содержанием антиоксидантов препятствует возникновению сахарного диабета, заболевания печени, почек, заболеваний сердечно-сосудистой системы и др. Наибольшей антиоксидантной активностью обладают концентрированные яблочное, алычовое и томатное пюре, т. к. в них содержатся водо- и жирорастворимые антиоксидантные компоненты, а в вытяжках концентрированных грушевого и сливового пюре - только водорастворимые.

Таблица 3

Результаты расчетов суммарной антиоксидантной активности (АОА) фруктовых и овощных пюре по кверцетину

Продукт	Кверцетин
	Концентрация по графику	Суммарная АOA, мг/г	на 100 г продукта
Алыча	свежая	2,50	0,02	2,4
	концентрированная	5,85	0,06	6,2
Слива	свежая	1,89	0,01	1,5
	концентрированная	4,06	0,04	4,1
Груша	свежая	1,32	0,01	1,3
	концентрированная	3,66	0,03	2,7
Томат	свежий	4,62	0,04	4,3
	концентрированный	5,72	0,07	7,1
Яблоки	свежие	1,26	0,01	1,2
	концентрированные	9,43	0,09	9,1

Употребление в пищу концентрированных фруктовых и овощных пюре с повышенным содержанием суммарной антиоксидантной активности более целесообразно по сравнению с потреблением свежих фруктовых и овощных пюре.

Для доказательства повышенной пищевой ценности получаемых пюреобразных фруктовых и овощных концентратов были проведены исследования химического состава исходных и концентрированных фруктовых (малины и красной смородины) (табл. 4) и овощных (моркови и свеклы) пюре. Комплексная оценка органолептических и физико-химических показателей качества концентрированных фруктовых пюре показала не только их полное соответствие требованиям действующих нормативных документов, но и более высокое содержание ценных термолабильных веществ (витаминов С, В1 и В2, моносахаров и др.).

Таблица 4

Химический состав исходного и концентрированного малинового и красносмородинового пюре

Наименование показателей, единицы измерения	Значение показателей
	Малина	Смородина красная
	Исходное пюре	Концентрированное пюре	Исходное пюре	Концентрированное пюре
1	2	3	4	5
Влага общая, %	80,9	72,3	86,8	72,9
Сырой протеин, %	0,89	1,73	0,74	1,85
Сырая клетчатка, %	6,2		1,4
1	2	3	4
Водорастворимые углеводы, %		17,5
Сырая зола, %	0,4	-	0,5
Натрий, %	0,011	0,05	0,022
Калий, %		0,25
Витамин В1, мг/кг	0,187	-	0,033
Кислотность, °Н		37,0
Аминокислоты, %:
аргинин	0,083	0,133	0,136
лизин	0,055	0,057	0,057	0,067
тирозин	0,024	0,028	0,034	0,025
фенилаланин	0,038	0,040	0,046	0,048
гистидин	0,023	0,023	0,026	0,033
лейцин	0,063	0,061	0,063	0,073
изолейцин	0,042	0,042	0,083	0,048
метионин	0,016	0,019	0,022	0,019
валин	0,066	0,095	0,042	0,071
пролин	0,046	0,065	0,049	0,052
треонин	0,047	0,099	0,056	0,111
серин	0,050	0,100	0,058	0,085
аланин	0,051	0,105	0,080	0,097
глицин	0,052	0,067	0,060	0,076
цистин	0,000	не обнар.	0,000	не обнар.
глутаминовая к-та	0,167	0,648	0,252	0,730
аспарагиновая к-та	0,080	0,158	0,107	0,200

Результаты исследований показали, что концентрированное пюре соответствует требованиям СаНПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов» (табл. 5). Анализ экспериментальных данных по изменению химического состава исходных и концентрированных фруктовых и овощных пюре показал, что пюреобразные концентраты имели высокие органолептические показатели качества: пюре имело окраску, характерную для свежеизмельченного исходного пюре, и приятный аромат, свойственный для соответствующего фрукта и овоща.

Таким образом, получены пюреобразные фруктовые и овощные концентраты с высокой энергетической и пищевой ценностью, обладающие хорошими потребительскими свойствами, отличительной особенностью которых является наличие в составе повышенного содержания аминокислот и ряда важных для хорошего функционирования организма человека минеральных веществ таких, как калий, натрий, за счет применения «мягких» температурных режимов выпаривания в условиях вакуума.

Таблица 5

Показатели безопасности исходного и концентрированногомалинового и красносмородинового пюре

Показатели	Допустимые уровни, мг/кг, не более	Содержание в концентрированном пюре
Токсичные элементы: свинец мышьяк кадмий ртуть	0,3 0,2 0,02 0,01	Не обнаружен Не обнаружен Не обнаружен Не обнаружена
Микотоксины: патулин дезоксиниваленол зеараленон афлатоксин М1 афлатоксин В1	Не допускается Не допускается Не допускается Не допускается Не допускается	Нет Нет Нет Нет Нет
Пестициды: гексахлорциклогексан (, (, -изомеры) ДДТ и его метаболиты	0,01 0,005	Не обнаружен Не обнаружен
Нитраты	50	Не обнаружены
Радионуклиды: цезий-137 стронций-90	60 25	Не обнаружен Не обнаружен

В шестой главе разработана технология приготовления фруктово-ягодной начинки на основе фруктово-овощных подварок и технология приготовления помадно-фруктовых конфет на основе фруктово-овощных подварок, состоящая из следующих стадий (рис. 8): подготовка сырья и полуфабрикатов; приготовление помадного сиропа; приготовление помадной массы; смешивание рецептурных компонентов; формование конфетной массы; выстойка корпусов конфет.

Помадный сироп уваривают до температуры 110-114 °С, при этом массовая доля сухих веществ сиропа составляет 88…90 %. Затем сироп перекачивают в помадосбивальную машину, где происходит его быстрое охлаждение и интенсивное сбивание. Полученная помадная масса перекачивается в темперирующую машину, где поддерживается температура 80…85 °С и куда при перемешивании вносят фруктово-овощные подварки, вкусовые и ароматические вещества. Влажность готовой помадно-фруктовой массы - 10…12 %.

Формование конфетных корпусов осуществляется отливкой помадно-фруктовой массы в крахмальные или силиконовые формы. Температура охлаждающего воздуха составляет 4…12 °С, относительная влажность - 50…60 %. Конфетные корпуса при выходе из камеры имеют температуру 22…24 °С.

В результате проведенных исследований были определены органолептические и физико-химические показатели помадно-фруктовых конфет на основе фруктово-овощных подварок (табл. 6 и табл. 7).

Рис. 8. Технологическая схема приготовления помадно-фруктовых конфет на основе фруктово-овощных подварок

Таблица 6

Органолептические показатели помадно-фруктовых конфет на основе фруктово-овощных подварок

Наименование показателей	Наименование начинки
	Свекловично-яблочные	Свекловично-сливовые	Свекловично-морковные	Контроль
Вкус и запах	Характерные для помадных фруктовых конфет, без постороннего привкуса и запаха
Цвет	Светло-кремовый	Светло-коричневый	Светло -оранжевый	Кремовый
Структура	Мелкокристаллическая

Таблица 7

Физико-химические показатели помадно-фруктовых конфет на основе фруктово-овощных подварок

Наименование конфет	Наименование показателей
	Массовая доля сухих веществ, %	Массовая доля титруемых кислот, %	Массовая доля редуцирующих веществ, %
Свекловично-яблочные	88,0	0,14	4,95
Свекловично- сливовые	88,0	0,15	4,78
Свекловично- морковные	89,0	0,12	3,82
Контроль	88,0	0,13	9,35

В результате проведенных исследований были разработаны оригинальные способы производства плодоовощных пюреобразных концентратов повышенного качества.

В седьмой главе для моделирования предлагаемых технических решений приведена разработанная система автоматизированного проектирования (САПР) вакуум-выпарного аппарата, позволяющая рассчитать оптимальные технологические и конструктивные параметры оборудования при условии получения качественного продукта и минимизации удельных энергозатрат с соблюдением прочностных характеристик материала шнека.

Функционально подсистему можно разделить на три основных блока. В первом блоке производится расчет конструктивных параметров вакуум-выпарного аппарата по исходным данным. Во втором блоке на основании проведенных расчетов из множества конструкций выбирается наиболее оптимальная. Третий блок - это графический редактор, который на основании проведенных расчетов прорисовывает отдельные элементы конструкции аппарата или схему самого аппарата.

В блоке для расчета конструкции вакуум-выпарного аппарата была использована разработанная методика, которая позволяет на основании заданных условий эксплуатации и конструкции днища аппарата произвести расчет основных конструкционных параметров аппарата в семь этапов: I. Расчет аппарата. II. Расчет фланцевых соединений. III. Расчет укрепления отверстий в аппарате. IV. Расчет узла сопряжения. V. Расчет перемешивающего устройства. VI. Расчет форсунки. VII. Технологический расчет.

По проведенным расчетам в отдельном окне программы выводится список полученных оптимальных параметров и трехмерное изображение спроектированного вакуум-выпарного аппарата (рис. 9).

Рис. 9. Изображение спроектированного вакуум-выпарного аппарата

Таким образом, предлагаемая система автоматизированного проектирования вакуум-выпарных аппаратов для получения плодоовощных пюреобразных концентратов позволяет моделировать рациональные конструкции основных рабочих органов этих аппаратов (корпуса, фланцев, перемешивающего устройства, форсунки), определять их оптимальные технологические и конструктивные параметры, а также рассчитывать их на прочность, жесткость и устойчивость.

В восьмой главе приведено описание разработанных конструкций выпарного спирального аппарата (рис. 10), установки для получения пюреобразных продуктов (рис. 11), линии производства пюреобразных плодоовощных концентратов (рис. 12), способов автоматического управления процессом производства пюреобразных концентратов и др.

Использование предложенных вакуум-выпарных аппаратов позволяет интенсифицировать процесс выпаривания за счет кратковременного протекания процесса; повысить качество фруктовых и овощных пюре за счет использования «мягких» технологических режимов, снизить энергозатраты и повысить производительность.

Рис. 11. Установка для получения пюреобразных продуктов: 1, 2 - электродвигатели; 3 - загрузочный бункер; 4 - перфорированные витки шнека; 5 - сплошные витки шнека; 6, 7 - валы; 8 - формующая головка; 9 - привод; 10 - вентилятор; 11 - мешалка; 12 - варочный котел; 13, 19, 30 - решетки; 14, 20 - нож; 15 - сопло; 16, 17 - ленточные спирали; 18 - подпорная шайба; 21, 22, 23, 24, 26, 34 - патрубки; 25 - стенка; 27 - шлюзовый затвор; 28 - корпус; 29 - экструдер; 31, 33 - двутельный корпус; 32 - корпус; 35 - шнек

Рис. 12. Линия производства пюреобразных плодоовощных концентратов: 1 - бункер; 2 - роторный дозатор; 3 - моечная машина; 4 - душевое устройство; 5 - сортировочно-инспекционный транспортер; 6 - шнековый измельчитель; 7 - коллоидная мельница; 8 - вакуум-насос; 9 - теплообменник; 10 - подогреватель; 11, 14 - насос; 12 - вакуум-выпарной аппарат; 13 - теплообменник-подогреватель; 15 - шлюзовый затвор;16 - смеситель; 17 - емкость; 18 - объемные дозаторы; 19 - дозировочно-наполнительный автомат; 20 - автоклав

В девятой главе выполнен эксергетический анализ процесса концентрирования плодоовощных пюре методом двухстадийного выпаривания. С целью получения наиболее полной информации о процессе вакуум-выпаривания плодоовощных пюре были составлены тепловые и эксергетические балансы тепломассообменных процессов и выполнены тепловой и эксергетический анализы.

Для оценки эффективности процесса вакуум-выпаривания плодоовощных пюре (на примере яблочного пюре) используем тепловой, эксергетический и энтропийный анализ переработки яблочного сырья в контрольной поверхности (рис. 13) по технологическим показателям. Определяем материальные потоки контрольной поверхности вакуум-выпаривания по предлагаемой технологии, поскольку все эксергетические превращения осуществляются при взаимодействии этих потоков.

Рис. 13. Эксергетическая диаграмма контрольных поверхностей подогрева (I) и вакуум-выпаривания (II) яблочного пюре

Основные потери эксергии происходят из-за необратимости тепловых процессов в автоклаве (81,3 % от суммарной эксергии автоклава) и фазового превращения влаги, перепада давления при распыливании продукта в вакуум-камере (93,26 % от суммарной эксергии контрольной поверхности вакуум-выпаривания).

В процессе вакуум-выпаривания яблочного пюре отводится пар и конденсат, составляющий в тепловом балансе - 55,9 %, а в экспериментальном балансе - около 3 %, что объясняется низким потенциалом отводимой влаги. Суммарные потери эксергии непосредственно при вакуум-выпаривании в контрольной поверхности составляют 94,62 %. Предлагаемая технология обладает более высокими по сравнению с заводской технологией эксергетическим и тепловым КПД (рис. 14).

Рис. 14. Эксергетический (а) и тепловой (б) КПД: 1 - базовый вариант;

2 - предлагаемый вариант

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Сформулированы концептуальные принципы создания высокоэффективных технологий производства фруктовых и овощных пюреобразных концентратов, направленные на интенсификацию процесса и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов. Разработаны рекомендации по научно-практическому обеспечению совершенствования процесса концентрирования овощных и фруктовых пюре методом двухстадийного выпаривания с учетом их специфических свойств.

2. Для достижения равномерного распыливания струи фруктовых и овощных пюре в вакуум-камере струйной форсункой при их концентрировании методом сброса давления были определены дисперсные характеристики пюре при дроблении струи продукта на капли. Установлен характер изменения плотности орошения, создаваемый струйными форсунками: плотность орошения потока распыленного пюре максимальна на оси факела и с увеличением расстояния от форсунки резко убывает. Полученный критерий гомогенности свидетельствует об однородности распыла пюре. Полученное критериальное уравнение позволило определить дисперсные характеристики и характеристики формы (диаметр и дальнобойность факела распыла) капель пюре при дроблении струи в вакуум-камере. Анализ полученных зависимостей позволил подобрать наиболее рациональный гидродинамический режим распыливания пюре, обеспечивающий протекание процесса выпаривания при оптимальных температурных режимах.

3. На синусоидальном вибровискозиметре SV-10 фирмы «A&D Company Ltd.» (Япония) исследованы реологические характеристики плодоовощных пюре. Установлено, что расплав пищевой среды проявляет свойства вязкой псевдопластической жидкости, а реологическая модель течения пленки плодоовощных пюре может быть охарактеризована обобщенным степенным уравнением. Результаты реологических исследований были использованы при разработке математических моделей процесса выпаривания.

4. Определены рациональные технологические режимы процесса, позволяющие достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества пюреобразных концентратов. Получены следующие рациональные режимы процесса концентрирования овощных и фруктовых пюре методом двухстадийного выпаривания: температура исходного пюре - 383…385 К, давление исходного пюре - 0,15…0,17 МПа, вели...