автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса получения казеината натрия с использованием многомодульного вихревого агрегата с инертным носителем

Санкт-Петербургский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт холодильной промышленности

На правах рукописи УДК 665.1.09:66.02.081

ПОЛЯКОВ Валентин Федорович

Ш1ТЕНСШКАЩЙ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЮШ1НАТА НАТРИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОМОДУЛЬНОГО ВИХРЕВОГО АГРЕГАТА С ШЕРТСШ НОСИТЕЛЕМ

Специальность 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации в форме научного доклада на соискание ученой стенени кандидата технических наук

Сонкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Е.КУЦШВА.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Б.ТИШИН

кандидат технических наук, доцент М.И.КУРОЧКША

Ведущее предприятие: Научно-производственное объединение "Мясомолмаш" г.Сенкт-Петербур..

Защита состоится 1993 г. в часов

на заседании специализированного Совета при Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности (Д 063.02.02).

Ваш отзыв (в двух экземплярах), заверенный печатью, просим направлять в адрес института: 191002, Санкт-Петербург,

ул.Ломоносова, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ^ г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент

Ю.Г.СТЕГАЛИЧЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем!. Политика партии и правительства направлена на наиболее полное использование сырьевых ресурсов мясной и молочной промышленности. В этой связи актуальной задачей является создание перерабатывающих комплексов непосредственно на местах производства молочной продукции.

Б состав таких комплексов должно входить оборудование по переработке вторичных продуктов молочной промышленности, в частности, обезжиренного молока. Наиболее выгодным при переработке обезжиренного молока является получение сухого каэеината натрия -ценного сырья, используемого в пищевом и других отраслях промышленности. Решением этой задачи является создание малогабаритного сушильного оборудования небольшой производительности, а также определение технологических режимов подготовки и сушки жидкого продукта, позволяющих получить конечный продукт, соответствующий мировым стандартам.

Качество конечного продукта определяется нэ только заключительным этапом - сушкой, но и всеми подготовительными операциями. Комплексное решение задачи получения высококачественного ка-зеината натрия невозможно без исследования влияния всех подготовительных операций, а также выявления корреляции между режимами подготовки и параметрами процесса сушки.

Цель и задачи исследования. Целы) диссертационной работы является детальное изучение подготовительных операций процесса получения жидкого казеинате натрия, аппаратурное оформление контроля параметров исходного сырья, а также определение оптимальных параметров процесса сушки, обеспечивающих высокие качественные характеристики конечного продукта.

При решении поставленной задачи была построена полуэмпирическая модель процесса сушки на инертных телах в трехмодульном аппарате вихревого типа, связывающая характеристики жидкого каэеината натрия с условиями проведения сушильного процесса.

Научная новизна работы. Впервые установлена возможность получения сухого казеината натрия в сушилках вихревого типа, заполненных инертными телами, определены технологические параметры процесса сушки. Теоретически обоснована и практически подтверждена устойчивость процесса сушки при параллельном включении трех

сушильных камер о общей вентиляционной системой, устройством подачи продукта и теплогенератором.

Исследовано влияние характеристик исходного сырья, технологических параметров процессов получения жидкого казеината натрия и последующей его сушки на качество конечного продукта. Определены кинетические закономерности процесса сушки.

Практическая ценность работы. Разработана и изготовлена непрерывная линия производства и сушки казеината натрия.

Экономический эффект от внедрения линии - 72 тыс.рублей в

год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложе'хш на техническом совете Ленмолкомбкната № I (1988 г.), техническом совете Ленгорагропроыа (1988 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двенадцать работ, из них восемь авторских свидетельств на изобретения по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШШЕ РАБОТЫ

Исследование влияния подготовительных операций на качество казеината натрия

При создании непрерывной линии получения сухого казеината натрия является соблюдение качественных параметров как исходного сырья, так и молочной сыворотки, промывной воды, а таюк? выдерживание параметров процессов коагуляции казеина и его промывки.

Особое внимание было обращено на характеристики щелочного гидролизе казеина, стабилизации температурных режимов гидролиза. Для обеспечения данных требований были разработаны и внедрены следующие организационно-технические мероприятия:

I. Для контроля жирности обезжиренного молока, являющегося исходным сырьем для получения казеината натрия, разработаны способы определения жирности продуктов, позволяющие осуществлять быстрый и точный количественный контроль содержания жировой и водно-белковых компонентов на основе измерения сигналов ядерно-магньтного резонанса (ЯМР),•а также устройство для измерения содержания жира в молоке и молочных продуктах. На способы и устройство получены 4 авторских свидетельства.

2. Для контроля качества казеина после коагуляции был разработан способ определения готовности молочно-белкового сгустка, защищенное авторским свидетельством. Этот способ позволяет определить реальное состояние структурно-механических свойств сгустка и дает возможность учитывать влияние нэ его прочность различных колебаний и отклонения проведения технологического, процесса. Данный контроль дал возможность целенаправленно управлять размером зерна казеина путем тонкой регулировки соотношения расходов обезжиренного молока и сыворотки о учетом реальной кислотности сыворотки и колебаниях температуры проведения процесса коагуляции в пределах технических условий. Контроль размера зерна позволил также обеспечить устойчивую работу узлов непрерывной промывки и сыворотко-отделителей.

3. Для непрерывного получения казеинового зерна, использовался модернизированный творогоизготовитель, учитывающий особенности коагуляции казеина, заключающиеся в жесткой стабилизации температуры процесса. Устройство защищено авторским свидетельством.

4. Для стабилизации характеристик жидкого казеината натрия перед сушкой, после щелочного гидролиза, осуществлялся контроль плотности жидкого продукта. Для этого разработаны и •защищены авторским свидетельством способ определения плотности жидких пищевых продуктов и устройство для его осуществления.

Были проведены экспериментальные исследования по влиянию изменения величин вышеупомянутых параметров на качественные характеристики конечного продукта, на производительность и устойчивость работы сушильного оборудования. Результаты представлены на рис.1-6. Как видно из графиков (рис.1, 2), наличие жира в исходном сырье существенно влияет на качественные характеристики конечного продукта (цвет) и производительность сушильной установки. Согласно графику (рис.3) с ростом рН жидкого казеината натрия падает производительность сушилки. Одновременно происходит рост толщины пленки, увеличивается продолжительность сушки, снижается -качество готового продукта - уменьшается растворимость. Представленная на графике (рис.4) зависимость производительности <3С от концентрации жидкого казеината натрия показывает снижение производительности по испаренной влаге Свя с ростом концентрации щ при одновременном увеличении производительности по сухому продукту йсуэс' Необходимость поддержания

оптимального размера зерна при коагуляции подтверждается зависимостью скорости гидролиза от размера зерна. Рвзмер зерна характеризует его физико-химические свойства, непосредственно определяющие скорость гидролиза. Температура подаваемого в сушилку жидкого казеината натрия соответствует температуре, при которой проводится гидролиз. Ее отклонение от оптимальной также существенно влияет на качество конечного продукта (см.графики рис.6) и на толщину пленки продукта в аппарате.

Проведенные исследования и полученные зависимости позволяют определить требуемую точность поддержания параметров непрерывного процесса приготовления жидкого казеината натрия, обеспечивающую заданные качественнее показатели конечного сухого продукта. В соответствии о этой точностью был разработан и внедрен ряд мероприятий и приборов.

Кинетика сушки казеината натрия в вихревом слое инертных тел

Кинетические закономерности процесса сушки, а именно, зависимость времени сушки от технологических параметров являются основой не только для расчета оборудования, но и для определения рациональных режимов, позволяющих получить продукт с необходимыми качественными характеристиками.

Непосредственное определение продолжительности процесса сушки связано с решением уравнения, описывающего изменение влагосо-держашш II пленки продукта, нанесенного на .отдельную частицу, • во времени %

" 4,8в/3[схр (0,ОВт*)-(р ехр(0,06Шс) ] • (I)

Для интегрирования уравнения (I) необходимо знать как меняется температура поверхности частицы в процессе сушки. В случае, когда толщина пленки мала по сравнению с размером частиц, эту зависимость можно найти из уравнения

д[Н(г.*)] Я'[гГ(г,г)\

дъ "а дР (2)

и краевых условий

Ь(г,0) - и • . - <*р(-кг)\-о.

Г дЬ(0,Т) _0

ог

(3)

(4)

(5)

Решение этой задачи известно. Решение же аналогичной системы уравнений с учетом конечной толщины пленки продукта много сложнее и возможно лишь с применением методов операционного исчисления. В результате решения ¿ыло получено уравнение

где Я-Лехри1,%) »

В - 0,062 • -ЗШ \Щ .соз \}/Ра,Ка\Кй-1)\-

-(1-Кь )зт} ,

х «^(Ъг^ ]+/», зъп^соз ¡и.1

равнение (6) позволяет, исходя из заданного конечного вла-госодержания продукта, рассчитать продолжительность сушки. Производительность установки определяется по формуле

О-Оап/Ъ. (7)

Величина заполнения аппарата продуктом Оап зависит от параметров процесса сушки. Эта зависимость определялась экспериментально и представлена в виде номограммы (рис. 7).

Температурные режимы сушки выбраны в соответствии с графиками зависимости температур на вход" в установку и выходе из нее, зависящими от требуемого конечного влагосодержания казеината натрия £^„,я(рис.8).

Задавая температурные режимы сушки можно влиять на конечное влагосодержание продукта - один из основных качественных параметров.

Влияние гидродинамических условий в аппарата на качество готового продукта

Гидродинамические условия в аппарате определяет интенсивность измельчения высушенного продукта и соответственно его время пребывания. Дополнительная тепловая обработка сухого продукта в процессе измельчения существенно влияет на его качество. В этой

связи создание развитых гидродинамических условий в аппарате определяет не только устойчивость его работы (отсутствие комкообра-зования), но и позволяет улучшить такие параметры готового продукта как сыпучесть, растворимость, цвет.

Экспериментально установлено, что наиболее интенсивное отделение высушенного продукта от поверхности инертных тел имеет место при наличии в слое пульсационных режимов вихревого псевдоожижения. Такой режим может быть реализован как за счет перераспределения потоков теплоносителя по длине газораспределительной .решетки в одном аппарате, так и за счет перераспределения потоков между параллельно включенными камерами.

Определили условия сущес.вешания пульсационных режимов псеь-досшижения трехмодульной сушильной установки, схема которой приведена на рис.9, где изображены сушильные камеры с форсунками I, насос 2, подогреватель 3, циклон 4, разгрузочное устройство 5, нас/роечные задвижки 6, общий теплогенератор 7, вентиляционный блок 9 и фильтр 10.

Полное гидравлическое сопротивление одной сушильной камеры лРап определяется суммой сопротивлений газораспределительной решетки лЦсцУ слоя А Рся

ЛРап = аРреш +ЛРа1 - (8>

Основным фактором, определяющим стабильность расхода теплоносителя в какдом аппарате, является гидравлическое сопротивление, создаваемое газораспределительной решеткой, рассчитываемое по формуле г

АРрет ~

Рг ¡Ущг.р

ёр 2 (9)

Реальные значения ¡¡р лежат в пределах 1,2-1,7.

Для устойчивой работы установки, состоящей из трех модулей, гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки должно быть равным или соизмеримым с гидравлическим сопротивлением взвешенного слоя инертных тел. Последнее задается соотношением,

определяемым из условия равенства перепада давления весу слоя:

* Ш)

Гидравлическое сопротивление слоя в аппарате переменного сечения уменьшается с увеличением высоты слоя, которая, в свою оче-

редь, тем больше, чем больше скорость газа.

IIa рис. 10 представлены графики зависимостей лРраа . лРея и лРап от скорости газа в сечении решетки и нагрузочные характеристики вентиляторов: I - при одномодулыгом включении, П - при трех-модульном включении (в пересчете но расходу на I модуль).

График зависимости лРап от Щк.р иглеет ниспадающий участок AB, проявляющийся л^рь при условии

, тпг liTT&H I

для значений \Ув».р , при которых

dPat ¿.п

х dWhx.p U '

Если при этом соблюдается дополнительное условие

dPoewn I . I dPan 1

dW^p I 4 I dVho.p\ '

то есть нагрузочная кривая вентиляторов и кривая сопротивления

ЛРап имеют несколько точек пересечения (рис.Ю, кривая П), то мы получаем режим с пульсациями расхода (или IУв».р), возникающий в силу наличия одновременно нескольких альтернативных вариантов раздутия слоя. При этом точке С соответствует слой минимальной высоты, а точке Е слой максимальной высоты, точка В -настойчивое состояние слоя. Переход режима работы установки из точки С в точку Е и обратно выражается в появлении характерных пульсаций слоя по высоте с экспериментально наблюдаемой частотой 1-3 Пд.

В этом случае происходят кратковременные перераспределения потоков теплоносителя медцу модулями, но это перераспределение не изменяет суммарный расход газа через вентиляционную систему, поскольку вид нагрузочной характеристики вентиляционной системы при включении трех модулей. Сбивая П, рис.Ю) более пологий, чем для системы с одной камерой (кривая I, рис.Ю).

Создание пульсирующего режима вихревого псевдоокижения в трехмодульной сушильной установке позволило обеспечить при сушке жидкого казеината натрия производительность по испаренной влаге 240 кг/ч, что соответствует производительности линии непрерывного -приготовления жидкого казеината натрия. Анализ качества полученного сухого продукта показал полное соответствие мировым стандартам.

Показатель Каэеинат натрия сухой, после вихревой сушки Стандарт

Растворимость, мл сырого осадка ¡(иолотность (рН) кассовая доля влаги, % Цвет Консистенция 0,1 6,3 4,2 белый сухой, мелкораспыленный 0,2 6,2-6,6 6.0 белый с легкш, кремовым оттенком сухой, допуо-кается незначительное количество комочков

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Исследовано влияние подготовительных операций приготовления жидкого казеината натрия и характеристик исходного сырья на качественные показатели готового продукта. Показано влияние содержания жира в исходном продукте, температуры гидролиза и кислотности казеината натрия, продолжительности коагуляции и концентрации жидкого казеината натрия на цвет и растворимость конечного продукта, а также на производительность сушильного оборудования.

2. Определен диапазон поддержания параметров процесса приготовления жидкого казеината натрия, обеспечивающих заданное качество готового продукта.

3. Исследованы кинетические закономерности процесса сушки казеината натрия на инертном носителе. Получено аналитическое решение задачи при сушке пленки продукта конечной толщины, позволяющее рассчитать продолжительность процесса сушки для достижения заданного ГОСТом влагосодержания готового продукта.

4. Определено влияние параметров процесса сушки на качество конечного продукта. Экспериментально определена связь между входной и выходной температурой теплоносителя и конечным влогосодержа-нием сухого продукта. Определена зависимооть удельного объемного заполнения агрегата продуктом от маосы инертного носителя, скороо-ти теплоносителя на входе агрегата и входной и выходной температур теплоносителя.

5. Показана возможность получения пульсационных режимов псевдоожижения, обеспечивающих эффективное отделение высушенного продукта от слоя инертных тел за счет периодического перераспределения потока теплоносителя между 'сушильными камерами в трехмодульной установке, уменьшить время пребывания продукта в сушильной камере.

6. Определены гидродинамические условия возникновения пульсаций слоя.

7. Разработаны способы и устройства для контроля основных параметров процесса приготовления и суши казеината натрия в непрерывном режиме, подтвержденные 8 авторскими свидетельствами на изобретения.

Публикации по теме диссертационной работы

1. А. с.№ 509273 (СССР). Установка длл тепловой обработки и очистки молока. / Т.И.Гавронский, Б.М.Зубарев, И.Е.Линецкой, В.Ф. Поляков, Б.Л.Синдаловский. С.Д.Суетов, А.Ф.Фрейберг, В.В.Черевич-ный. - Опубл. в Б.И., 1976. № 13.

2. A.cJf 532370 (СССР). Устройство для измерения содержания жира в молочных продуктах./ А.Н.Евстигнеев. И.А.Ззмывдий, А.Н.Рох-мистров, В.Ф.Поляков. - Опубл. в Б.И., 1976, JJ 39.

3. А.с.№ 665264 (СССР). Способ определения плотности жидких пищевых продуктов и устройство для его осуществления./ А.II.Евстигнеев, И.А.Замыцкий. В.Ф.Поляков. - Опубл. в Б.И., 1979, № 20.

4. А.с.№ 924568 (СССР). Способ определения готовности молочно-белкового сгустка./ И.А.Замыцкий, А.Н.Евстигнеев, Ю.И.Миронов, II.Г. Алексеев, А.МЛ'аслов, Б.Ф.Поляков, И.А.Рогов, Л.В.Дворянцева. -Опубл. в Б.И., 1982, № 16.

■ 5. А.с.№ 938905 (СССР). Газообменный аппарат для обработки вязких продуктов./ Л.К.Николаев, И.И.Брызгалова, З.Ф.Поляков, С.Б. Куков, шОеньков. В.Ф.Щипин. - Опубл. в Б.И., 1962, № 24.

6. А.с.К 94С369 (СССР). Способ определения содержания жира в молочных продуктах./ А.Н.Язов, А.Ф.Бабкин, А.К.Аввакумов, В.Ф.Поляков. - Опубл. в Б.И., 1982, !Ь 26.

7. A.C.JS I020734A (СССР). Устройство для сушки растворов, суспензий и эмульсий в киспяцем слое инертных тел./ Куцакова В.Е., Па-дохин В.В., Уткин Ю.В., Купанов B.D., Дон Н.Р., Поляков В.Ф., Цветков А.Ю. - Опубл. в Б.Й., 1983, й 20.

8. А.с.И 1043537 (СССР). Способ количественного определения жирности пищевых продуктов./ А.Н.Язов, В.М.Чернышев, А.К.Аввакумов, В.Ф.Поляков. - Опубл. в Б.И., 1983, № 35.

9. В.Е.Куцакова, л.И.Логиков, В.Ф.Поляков, Н.П.Фомичев. Определение потерь массы при сушке материала на инертных частицах, журнал прикладной химии АН СССР, If- В, 1983, O.I777-I782.

10. А.с.№ 124-3654 (СССР). Установка для непрерывного производства творога./ М.Г.Ыошно, В.В.Спиридонов, В.Ф.Поляков, В.М.Зубарев, А.Ф.Сурков, Р.И.Ковяр, В.А.Витовтов, Г.А.Савельев. - Опубл. в Б.И., 1986, % 26.

11. В.Е.Куцакова, Ю.В.Уткин, В.Ф.Поляков. Сушка во взвешенном слое инертных тел. Молочная промышленность. М., 1986, №10, с.28-30.

12. В.Е.Куцакова, Ю.В.Уткин, В.Ф.Поляков. Регулирование производительности вихревых сушильных аппаратов. Молочная промышленность. U., 1987, & 7, с.16-19.

13. Kutsakova V. Е. .Polyakov V. F. .Loginov L. I. .Fomichev N. P. .Determination of Mass Losses during Drying of Materials on Inert Particles. Journ. of Appl. Chem. of the USSR, Jan. , 20, 1984, pp. 1659-1663

Принятые условные обозначения

V - влагосодерзсание продукта, кг/кг; Т - время, с; Т - текущий радиус, м; - .температура, С; а — коэффициент температуропроводности, м /с; Д - коэффициент теплопроводности, вт/ы-К; IV п удельная теплота испарения, да/кг; 1Пв - скорость сушки, кг/м с; й - производительность аппарата, кг/с; йап- заполнение аппарата продуктом, кг; Тс - время сушки, с; лР - гидравлическое сопротивление, Па; ёр - коэффициент гидравлического сопротивления решетки, ТУ - скорость теплоносителя, м/с;Л1 - масса слоя, кг; 1а - длина решетки, м, А - высота слоя, м; / -

---------------------------------- -дд. а _ козффидаент тепло-

«стического уравнения; Ы

'А - критерий Био; Pd • jf Я* - критерий Предводите лева; „, 0'гЧ'-t'-симплекс температур; |fa-о,/а, s «я-Кл - А</А«1 Il'd/Ag - различные симплексы; я -?модифициро-ванный коэфрициент массоотдачи для водяного пара, кг/м с•На; АРап - полное гидравлическое сопротивление модуля. Па; лРреш -гидравлическое сопротивление входной решетки, Па; Wexn - скорость теплоносителя в нижнем сечении аппарата, м/с.

О 0,05 0,10 Ш5 0,20 0,25 Жирность, Я5

Рис. I. Зависимость производительности сушильного

модуля от содержания жира в исходном сырье..

«

Кремовый

Белый с кремовым I оттенком

§ . Серый

Р

I

Белый

0,05 аю 0,15 0,20 Жирность, л

0,25

Рио. 2. Влияние содержания жира в исходном сырье на цвет сухого казевнете натрия.

Рис. 3. Влияние кислотности жидкого казеинатв . натрия на процесс сушки.

Рис. 4. Зависимость производительности сушильного модуля от концентрации жидкого казеината натрия.

Размер зерна казеина , лсм

Рис. 5. Влияние размера зерна коагулированного казеина на время щелочного гидролиза.

Рис,С. Влияние температуры щелочного гидролиза казеина на процесс сумки.

7500 5000 2500

20 40 60 ТЯцхл.мк

Рис. 10. Зависимости гидравлических сопротивлений решеткиАРр1 слояйРсп ъ аппарата йР^а от скорости газа.

Рис. 7. Номограмма для определения удельного объемного ° заполнения аппарата продуктом при сушка казеината

натрия.

•вх, •С МО 0,07 I 0,06 ч 0,05

/

¡00 190 ЯО 1Ю / • ^

/ Г / • / • У • /

/ Ж* гт

/V ^^ 1

80 85 90 95 гвш, "О

Рис.8. Зависимость, определяющая связь между входной Ъвх и выходной ¿и*»температурами при заданных конечных влагосодержаниях IIщл/ казеинатв натрия.