автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса получения кофейного экстракта

4)14

И«*

ГОСУДАРСТВЕЗНЫЙ КОМСТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИЙ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ . МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕ.Ш ШЕЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи УДК: /653.938.8+663.933.22/.061.34-954-932.2/043.3/

Экз. а

ЕЖОВ Сергей Анатольевич ИНТЕНСИ51ЖАЩЯ ПРОПЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КОФЕЙНОГО .ЭКСТРАКТА

Спепаальность 05.18.12 - Процессы, метины и агрегаты

пищевой яротшенности

АВТОРЕФЕРАТ х диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

/

Работа выполнена в Московской Государственной Академии пищевых производств.

Научный руководитель: заслугенный деятель науки и техника РСФСР, доктор технических наук, профессор С.М. 'Гребешок

Официальные опоненты: доктор технических наук, профессор Г.Д, Кавехашй кандидат технических наук Б.А. Селезнев

Ведущая организация: - Московский пищевой комбинат

Защита состоится 1995 г. на. заседании

Диссертационного Совета К 063.51.07 Московской Государственной Акайемаи пищевых производств по адресу: 125080, Москва, А-80, Волоколамское шоссе, 11.

. С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан

Ученый секретарь ■ Диссертационного Совета кандидат технических наук, допент

И. и. Савша

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Высшей пзлъю общественного производства является наиболее полное удовлетворение материальных и духовных потребностей людей.

Повышенным спросом у населения пользуется растворимый кофе, представлявший собой высушенный до порошкообразного состояния кофейный экстракт. Растворимый кофе является полноценный пищевкусовым продуктом, обладает выраженным тонизирующем эффектом и при уморенном потреблении оказызает благоприятное воздействие на организм человека.

Получение кофейного экстракта в настоящее время производится из измельченных обтаренных зерен кофз в периодических, многочленных экстракционных аппаратам, которые являются несовершештшя в технологическом и гидродинамическом отношении. Норщ расхода сырья на единицу готовой продукты, принятые в России, остаются визе ызздуна-родннх стандартов, поэтому комплексное использование сырья и отхо-доз в производстве кофегфодуктов имеет первостепенное значение, так хек способствует значительному повышению экономической эффективности производства, основанного на использовании цепного и дорогостоящего сырья.

Актуальность настоящей работы определяется тем, что она направлена на более полнопенное использование остродефицитного и дорогостоящего растительного сырья на основе интенсификации процесса экстрагирования путем осуществления его высокоэффективным модернизированным трехступенчатым способом, а также использование в процессе экстрагирования ранее считавшийся отходом кофейного производства -

кофейной оболочки - пенного источника дополнительных растворимых веч

шзств, а такае проведением исследований по совместному экстрагировании. растительных материалов.

ЦЕПЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработка совместного способа эк-

страгирования измельченного кофе и кофейной оболочки в аппарате непрерывного действия, используя при этом модернизированный трехступенчатый способ получения кофейного экстракта и определение региональных реяишв его осуществления на основе комплекса исследований, включающие изучение дищ^узных. свойств сырья и зияния явлений, происходягезх при совместном экстрагировании ~ сшси растительных материалов; исследование процесса совместного экстрагирования в лабораторное противоточном экстракторе; выявление лпмиифугщеЕ стадии процесса и анализ влияния факторов на его е^ехтЕшость; исследование процессов гидролитического расщепления выссг-Окшеку— лярянх соединенна в экспериментальном реакторе и определение оптимальных рехтюв при совестном использовании растительного сырья? определение качества экстракта, полученного предложенным методом,

НАУШАЯ НОВИЗНА работы состоит , в том, что на основания экспериментальных исследований установлены закономерности процессов извлечения растворимых веществ, поглощения кидкой фазы и набухания частиц твердой .фаза при совместном экстрагировании измельченного обваренного кофе л кофейной оболочки, , а такае скеси, полученной после термообработки, в экстракторе непрерывного действия. Экспериментально исследованы закономерности гздролстического распада высокотлегулярпых соединений твердой фазы, происходящего на зте,-пе гцдротершчзской обработки материала. С использованием модельных тел исследованы йальтрашонныз свойства слоя смеси материалов, получены формула, позволяющие нетрадиционным образом рассчитать вааныз геоыэтрзчеехше зсаракгеристики слоя, а такнэ привести сгазсь материалов различной форма к единому эквивалентному диалетру частиц. Разработана полная матеиазнческая шдель трах ступеней способа получения ехотракта, в основе которого лезит безитерацяоиный интервальный ьетод расчета. Усовершенствован ступенчатый способ непрершного получения экстракта из обваренного кофе с добавлением 3 % кофейной оболочки, еклэчзшщй две ступени экстрагирования в

з ■

шнековом экстракторе непрерывного действия я ступень промежуточной термообработка в специальной устройстве. На основании проведенных | анализов определены качественные показатели экстракта, полученного ' предложенным способом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы. Разработана конструкция модернизированного трехступенчатого способа получения кофейного экстракта, предложено усовершенствование механизма транспортировки и промывки штериада в вертикальных колоннах шненовнх экстракторов. Разработана и смонтирована на Московском шщекоыбинате" линия по очистка а дозировки кофейной оболочки в экстрактор первой ступени. Ояидаемый экономический эффект в ценах на ноябрь 1994 года составит: 1195 шн. руб. в год.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные полонения и результаты диссертации дололены автором на ХХХХ1-ХХХХ111 научных конференциях ШЗШП /198991 г./, научном семинаре кафедры "Процессы и аппараты пищевых про-• изводств" МГАПП. По теш диссертации опубликовано печатные работы а солучено авторское свидетельство на изобретение.

СТРУКТУРА' И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 222 страницах, из них 138 основного текста, 47 рисуннсз, 11 приложений. Список литературы содержит 113 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вветгет^та обоснована актуальность, теин, определены цель и задачи исследования, приведены основные научные полокения. '

В первой главе изложены основы теории экстрагирования в системе твердое тело - жидкость» Произведен обзор теоретических- основ процесса экстрагирования, залогенных в трудах П.Ii. Силина, П.В. Головина, С.Ф. Дронова, С.Ф. Еигалова, которые позволили перейти к исследованиям процесса экстрагирования, основанным на решении диф-ференпиальнцго уравнения процесса, полученном A.B. Лыковым, развп-

тие которых продолжал г.А. Аксельруд. Разработанный В.М.. Лнсянскш интервально-итерацяонный метод расчета позволяет учитывать особенности реального процесса экстрагирования растительного сыркя в диффузионных аппаратах: изменение в ходе процесса коэффициента диффузии и условий массоотдачи на участках аппарата,' непостоянство соотношения расхода фаз. В развитие этого метода В.М. Лысянскиы и О.Н. Ми-синнм разработан безнтерационный интервальный метод расчета. Его основный расчетным уравнением является решение дифференциального уравнения нестазиопарной диффузии в совокупности с дифференциальны- ■ ш уравнениями »¡атериального баланса ери условии, что избыточная концентрация в твердом теле отсчитывается от концентрации находящегося с нии в контакте экстр агента:

Указанный метод в настоящей работе положен в основу исследования процесса экстрагирования смеси обдаренного кофе и кофейной оболочки.,

Рассмотрен химический состав зерен сырого и обваренного кофе по данный зарубашых и отечественных исследователей, отмечена цлен-тичность химического состава кофе и кофейной оболочки.

Дана краткая сравнительная характеристика аппаратов и аппаратур" ных схем для экстрагирования обваренного кофе, оценена их цригод-носткгдая осуществления процесса экстрагирования смеси нзкельчен-ного обиженного кофе и кофейной оболочки, и обоснован выбор для этих палей с соответствуащшли конструктивными изменениями трехступенчатого способа получения кофейного экстракта, включавшего в себя две ступени экстрагирования в прэтивоточном шнековом экстракторе непрерывного действия и ступень промежуточной термообработки в специальном устройстве.

Ознакомление с работами в области экстрагирования растительного сырья позволило определить основные направления исследований для разработки рационального способа совместного экстрагирования измель-

/I/

пч

шого кофз икофзГзной оболочки:

изучение диффузионных свойств кофейной оболочки а измельченного &е, наделение вяшшцих на них факторов и формализация этого вли-зк, разработка катода определения коэффициента диффузия в смеси аельченного кофе з кофейной оболочки; .

изучение особенностей экстрагирования смеси растительных мате-алоз, раскрытия явлений, происходящих при этом, е их. вяняние на ¿фгзионные свойства материалов;

исследование процесса совместного экстрагирования в лаборатор-й горизонтальночзиековои. экстракторе и ввделение -лимитЕрутоей ста-ч ыассообмена;

математическое описание процесса совместного экстрагирования ^тигельного сырья на всех ступенях способа;

расчет кинетики процессов гидролитического расщепления высоко-яекулярных соединений при термообработке твёрдой фазы на второй ^пени способа;

разработка алгоритмов и расчет массообменных кинетических коэф-зяентов, характеризующих процесс экстрагирования на первой и треть-ступенях способа;

нахождение рациональных режимных параметров процесса совместно-экстраггрования измельченного кофе и кофейной оболочка, комплекс— I оценка эффективности разработанного способа получения экстракта;.

оценка качественных характеристик полученного экстракта на всех гленях способа, в зависимости от различных резишв ведения цроцес-а процентное содеряаши кофейной оболочки в сюси.

Вторая глава посвягнена изучению гидродинамических закономернос-3 зкетракшонного процесса, определению геометрических параметров гидравлического сопротивления слоя смеси растительных материалов.

Фильтрации экстрагента через слой взвешенной смеси измзльченно-кофэ и кофейной оболочки Ш2ео рассматривать как частаяЗ случай

движения звдшвсти через зернистый слой. Поэтому при расчете гидравлического сопротивления смеси шкет быть" использована следующая йор-

/у-др-СаЦХ^М5 /3/

Функциональные зависишстиДР^И^ или после-преобразования раскрываштся экспериментально. Результаты некоторых опытов представлены на рис. 1; 2. На первом этапе экспериментально определяли зависимость потери напора от расхода экстрагента при йаньтрапии через слой шарообразных частиц диаметра 2,75 ш. В качестве шделышх частиц использовались шарики. Коэффициент заполнения находился в пределах 1| = 1. Для обеспечения условия $ =■ СОиЖ , тешзратура экстрагента поддерживалась постоянной в пределах - 15°С-95°С.

На второй этапе экспершзанта определяли зависзаюстъ потери напора от расхода экстрагента для смеси частил обгаренного кофе и кофейной оболочки при соответствующем коэффициенте заполнения аппарата. Результаты- экспериментов представлены на рис, 2. Для опытов брали соответственно обработанный измельченный"кофе ж кофейную- оболочку. Процентное содержание оболочки в смеси составляло от 1 до 100 %. Результаты исследований показали, что в производственных условиях целесообразно проводить, экстракцаз измельченного обваренного кофе с добавлением кофейной оболочки от 1 до 3 %, т.е. реальное ее содержание идо. переработке кофе. > < _ ,

Используя оштше зашсишсти потери напора от расхода экстрагента при фильтрации через слой модельных тел и реального материала, получена формула, на основании которой находим эквивалентный диаметр ыешюрового пространства слоя материала с!зг:

сЛвг-0,П99^т . /4/

Коэффициент К является козффзпаентои соотношения модели к реальному материалу и равен отношению тангенсов угла наклона пряшй

250 ZOO 150 100 50

АН, MM ocú.CT.

-

i-t=)5r¡l ¿-Шс 5-ШС ,

У,

лЕ=В-£

1. В=0,5;

2. 3=0,42;

3. >0,42.

Q^mím н.

0 во ¡¿о ¡го ыи зоо

Рис. I.. Зависимость потери напора от расхода экстрагэнта при различной теглхерзтурз пря ^шьтрапаз через слой шдельннх тел.

1

250 ZOO 150 ICO 50

дНми Ыа

t-TOZ

дК=в-<2

1 -1 .Оболочка /100/5/:В=1,2

2. 5Сй оболочки:3=0,5;

3. 10? оболочки :Б=0,4-1;

4. 3£ оболочхи:В=0,28;

5. 1/? оболочкл:Б=0,2;

; б.лойе /1ОСЙ/: 3=0,14; ~ 7.Сопротивление установки без материала: В=0,04.

мл/мми

О 60 . ¡¿О 180 2А0 300 п

?::с, 2. Зашсшость потер:: капора о? расхода экстрагента с "t =70 С при '"илмхагса ":есзз ело:: с:.:есп :.:гтет)::алов.

гвдролжгаыпческого сопротивления материала и прямой гидродшаилас-кого сопротивления слоя шделышх тел: К= Ь) Ьл . Используя формулу /4/ находим эквивалентный диаметр частиц слоя с&'еси матери-

а®»* А - '

Принимая равномерное распространение оболочка, в смеси, используем для опрэдглеяия порозяости емзсн растительных материалов формулу /6/, основаннув на материальном балансе компонентов сшсе:

/6/

Учитывая поправки на растворише вещества, Еа набухание и ешгопог-лощенпе частиц слоя материала смеси, в уравнении /б/ порозпосм кофе - н оболочка бсб в сухом виде заменяется на пзрозноста соответственно влашшх материалов:

Введя понятия дикаьнческой и статической порозности для работающего - ; аппарата, -в связи со- взвешенным состоянием.материала, принятой за условие процесса фильтрации, теоретически получаем формулу* связывающую такие ваянеЁпне параметры слоя материала, как коэффициент заполнения аппарата в порозность материала:

Полученные расчетные формулы составштт шгекатотескув модель процесса гидродинамики, необходимую для дальнейшего расчета вассо-обменных коэффициентов процесса экстрагирования измельченного обка-ренногс кофе к кофейной сбагочт,. \ . •-

Третвя глащ поевщена изучению диффузионных свойств исследуемых материалов при их раздельном и совместном экстрагировании. Определение коэффициента диффузии производилось экстракционным методом, цредусаатриваигшм проведение процесса при снятом внешнем диффузионном сопротивлении, что достигаюсь барбатааом воздуха в зкетрагируещув смесь. 1

На основе интервального метода разработана методика расчета коэффициента диффузии в измельченном кофе и кофеЕноЗ оболочке. Исходной данной для проведения расчета является экстракционная кривая содерЕания растворимых веществ в гидкой фазе, полученная в процессе экстрггяровааая при снятом внешнем дпффузлошюм сопро-• тивлзнзи. Из урашепия материального бачанса рассчитывается кон-пентраидя растворимых вэщестз в твердой фазе, определяются избыточные концентрации в начале и конце интервалов н их отношение /симплекс концентраций/. Значение критерия Фурье находился путем итерации основного расчетного уравнения /1/ до совпадения опытных и расчетных значений симплекса концентраций в пределах допустимой ошибки. Значение коэффициента диффузии растворимых веществ в мате-пиале составит: -р. _ РЬ>. '2!

1)1 АП ' /9/

Разработанная методика позволяет рассчитывать значеигя коэффициента диффузии при экстрагировании высушенного обкарепного растительного сырья, а такте материала, полученного после термообработки,, при условии предварительного -определения содержания раст- " • зоримых веществ в сырье, опенки формы и размеров частил,'исследования кинетики влагопоглощения и набухания.

При экстрагировании высушенного обдаренного растительного сырья из его пор ь экстрагирующую лидкость ткет перейти определенное количество растворимых веществ. Определение их содернания необходимо для составления материального баланса п нахондения концентрации в жидкости, заполняющей поры твердой фазы. Средние значения содержания легкорастворимых веществ в пересчете на абсолютно сухой материал составили для измельченного обнесенного кофе 25 %, для кофейной оболочки 21,5 %, содернание труднорастворимых веществ, полученных на третьей ступени предлогенного способа, для кофе 34 %, для кофейной оболочки 32 .

Исходный материалом для получения экстракта из измельченного кофэ и кофейной оболочки на первой ступени способа слунит высушенное обкаренное сырье, отличительной особенностью которого является интенсивное поглощение влаги в начальной стадии процесса. Находящееся в порах твердых частил количество нидкости определяет в данный шмент времени концентравио растворимых веществ в твердой фазе.

При математическом описании процесса поглощения влаги принята гипотеза, что скорость процесса пропорциональна разности меяду текущим и максимально возмогшим количеством поглощаешй влаги. Опыты по определении поглощения экстрагента кофейной оболочкой проводи-, лись на экспериментальной установке при снятом внешен диффузионном сопротивлении с температурами процесса 70, 80, 90°С. На рис. 3 представлены графики .изменения коэффициента вяагопоглошения кофейной оЬ'олочки при различных условаях эксперимента. Из графиков видно, что имеет место очень большая способность оболочки впитывать влагу - до 700 % от ее сухого веса, что объясняется большим количеством пор и развитой поверхностью оболочки. В работе таяне _ис-пользоЕана установленная К.11. Виноградовым зависгазость.коэффпда-ента влагопоглодения измельченного ксфе от времени и температуры.

На получение достоверных результатов расчета процесса экстрагирования значительнее влетало оказывает правильное определенна формы и размеров частиц сырья, поступающего на переработку. При математической описании процесса форму частац условно приводят к одной из классических. Кофейная оболочка раемогрена в качества неограниченной пластины, начальный эквивалентный размер которой /половина толщины частила/ определялся с пошщьв шщюскопа, а тшохе-, фотографированием с постоянным увеличением,; и с аероязностка 95 % он равен 10 Частлш измельченного кофе приводились к шарообразной форш с эквивалентным разшрем /эквЕвавентный рэотус час-типы/ 0,61 ш. Сшсь"..измельченного кофэ и котлетой оболочки в за-

оболочки; б/-кофе в течение временя при температурах: 1-1=70°С; 2Ч=В0°С; 3-"Ь-9СРС.

лочки; б/-кофз при поглощении жидкости: I-t =70°С;

висяиости от их процентного содернания в твердой фазе при содада модельных тел и подпрограммы гидродинамики такге приводшшсь'.:к шарообразной форме с рассчитанным по определенной ранее методике эквивалентным размером.

В процессе экстрагирования высушенного и. обваренного растительного сырья вследствие влагопоглощения наблюдается значительное изменение размеров част шт. Для определения коэффициента диффузии требуется количественная характеристика изменения ояредеяявдего для частиц размера. В качестве такой характеристики принят коэффициент набуханияа представляшщй отношение текущего и начального значений эквивалентного размера. Исследована кинетика изизяения козффзщазнта набухания для кофейной оболочки в диапазоне.температур 70-30°С /рис.4 а /. Данные зависимости шпроксишровалксь'.'летодом наименьших квадратов гладкими функцияш с подацыэ стандартных программ. Своеобразное поведение кофейной оболочки в процессе набухания при 80 и 90°С объясняется разрушением пор и внутренних перегородок под действием температуры- и напора экстрагента и как следствие- - потеря-упругости -каркаса частицы. Данные по набуханив кофе были езяты ез работ К.И. Ей-ноградова и согласно принятой методики такне обработана методом наименьших квадратов дня получения аппроксимированная выражений. По раскрытым фушсционашшз зависимостям коэффициента набухазня от времени и температуры определяются текущие значения эквивалентного размера, используешгз црз расчете коэффициента диффузии.

Определение аффзютшостл процесса совместного экстрагирования измельченного кофе и кофейной оболочки требует изучения отдельных факторов, влияющих на процесс экстрагирования* Для проведения в процессах совместного е раздельного экстрагирования сравнительного анализа основной характеристики диффузионных свойств — коффвшиента диффузии, необходимо разработать лгэтодику расчета коэффициента диффузии в смеси измельченного кофе и кофейной оболочки. Для этого принта-

ется рдд предпосылок. Первое: не смотря на то, что кофейная оболочка и измельченный кофе не однородны по своей структуре, установлен подход к гкстракту этих материалов как к экстракту с однородными растворимыми веществами с общей концентрацией 0 . Исходя из пер-• вой, вторая предпосылка говорит нам о том, что основное различие экстрагируемых вместе материалов будет заключатся в их форме и физических свойствах, которые предопределены природными функциями того или иаого компонента в плодах кофейного дерева. Исходя из этих предпосылок, в настоящей работе определен подход к смэси измельченного кофе и кофейной оболочки как к единому продукту, имеющему свой эквивалентный диаметр, расчитанный з математической модели гидродинамики и'зависящий от концентрации оболочки в смеси.

Методика расчета коэффициента диффузии в случае совместного экстрагирования растительных материалов выполняется на основе представления твердой фэзн как суьаи измельченного у.охе и кофейной оболочки пропорционально их массовым долям в общей смеси с единым эк' Еивалёнтнш размером частиц и общей концентрацией в илдкой фазе. 3 дальнейием порядок расчета аналогичен изложенному для определения коэффициента диффузии при раздельном экстрагировании материалов. Составлена программа, реализованная на ПЭВМ Искра 1030 М, позволяющая по экспериментально полученным данным найти численное значение коэффициента диффузии как при раздельном экстрагировании материала, так и при совместном. Результаты вычислений представлены на рис.5;6 в виде графиков. Это семейство кривых показывает, что с ростом температуры коэффициент диффузии кофейной оболочки увеличивается. Наибольшее значение коэффициента ди^гоузии для кофейной оболочки получено при 90°С. Изменение характера кривой значений -коэффициента диффузии приtT = 1 мин. nt = 90°С является следствием процесса поглощения сухим, материалом жидкости, a текез изменением температуры процесса.

генного измельченного KOtLö u KOfllstiHnft nrinnnUKu пт Т

и ri ti n^Mhfttmii Лгр «

Расчет коэффициента диффузии в порах материала, полученного после термообработки, осуществляется по той ге методике. Единственное отличие заключается в том, что в данном алгоритме расчета отсутствует подпрограмма набухания и влагопоглощения материала. Рассчитанный с использованием приведенного с помощью модельных тел эквивалентного размера коэффициент диффузии, в смеси материалов является условный и его следовало бы назвать приведенном.

Полученные значения коэффициента диффузии в кофейной оболочке, а такте в ее смеси с измельченным кофе являются исходными параметрами для расчета массообмена в экстракционном аппарате.

Четвертая глава посвящена исследованию массообизна в лабораторном горизонтальпо-шековогл экстракторе при совместном экстрагировании измельченного кофе и кофейной оболочки, оцениваются условия протекания процесса в аппарате. Особенности процесса совместного экстрагирования сырья требуй? разработки специальной азтодЕпа расчета массообмена з противоточпом аппарате. Основой его математического описания--будет- систега,-состоядая из-уравнений, описнвзтаих извлечение из пор кофейной оболочки и ее снеси с измельченным кота, а такяа уравнений материального баланса по растворимым веществам -кшдого из инградиентов: ' ^МИ

.. МШ ,, , -Р. Я'сБь >

пч ^

СЖН^МЬО'гМ , / б^Ш-в-гХ/т/

СФ1-&к>:п и 1 ¿^ММ^Ь-сыг^ь) ™

п ГЕгмМ ./А, . Угми'/\Т1П~

Шн-Ссбг1+МЮ'о51^ Шс-с^+Мн-Сап', _

Концентрации в гадкой фазе определяются зксперакгнтально, в твердой рассчитываются согласно системы уравнений /10/ Определяются нзбн-

Ъг-rr- ) лу

точные концентрации в конце и начале расчетных: участков и их отношение. На первом расчетном участке значение диффузионного 1фитерия Био находится путем итерации основного уравнения А/ до совпадения опытных и расчетных значений симплексов концентраций в пределйс допускаемой опшбки. На доследующих интервалах опытные значения симплекса концентраций сравниваются с расчетными, полученными из:

2L

■ ZI

гда LX, поручается при подстановке в уравнение /1/ значения. критерия Фурье Fo4 Foi » а Zi- подставляя

Fo-r Foi . По велплине iraитерня И И

Био оцениваются условия протекания ызссооб^гшого процесса в аппарате.

При проведении экспериментального исследования прошаса экстрагирования кофейной оболочки и измельченного кофе в лабораторном шнековом экстракторе определены коэффициент перемещения материала., коэффициент заполнения объема аппарата, требуемое количество экст-рагента для получения установленного отбора. Описана конструкция и принцип действия лабораторного экстрактора.

По экспериыэнтшшзо получениям и ашгроксшгироЕанными гладкая функциями экстракционный кравнм содержания растворимых веществ в кидкой фазе /рис.7;8 / произведен обратный расчет процесса ыассо-обиена с целыэ определения критерия Био и коэффициента массоотдачи. Для этой цели била разработана и реализованная на языке

du Le к

B(35lC программа расчета. Конечные значения критерия Био получены 1 дая кофейной оболочка и ее сшей с измельченным жофе только на

первых участках. На остальных олптнне значения симплекса концентраций меньше расчетных даже при —*-оо .- Это объясняется неучтенным влиянием скатил частиц в аппарате и происходящий при этом частичном отяиме жидкости. Полученные результаты свидетельствует о том, что кроме первых участков скорость' процесса переноса вещества определяется сопротивлением внутреннему массопереносу. Внеш-

тз:.лэратурах пропесса 70°С /кривые .2:1 4/ и 90°С /кривкз 1 г 3/ -пра врзгзни экстрагирования 2 ч.э кзн. а отборе экстракта 250

экстракторе непрерывного действия при £ = 90°С, времени пропесса

2 ч.5 шн. к отборе экстракта 250

нез диффузионное сопротивление соизмеримо с внутренним только в ^начальной стадии процесса, характеризующейся сшвашга-дз$йузЕонной кинетикой. Конструктивные особенности горизонгаяьно-шнекозого экстрактора обеспечивают условия рационального прсг-екания процесса экстрагирования исследуемых материалов..

Алгоритм расчета третьей ступени предлагаемого способа пояучг- > ния кофейного экстракта, т.е. экстрагирование материала, полученного после термообработки на второй ступенк., обличается от данк?£ ьсдели . расчета искюоченнем параметров, связанных с поглощенней ¿идкосгы и набуханием твердой фазы..

Пятая глава посвящена изучению процесса термообработки кофейной оболочки и ее смеси с измельченном кофе ща тешьратурах свыше 100°С на второй ступени предложенного способа получения экстракта.

Способ осуществления термообработки и ее резшш увеличивает.. конечное количество растворимых веществ в получавши экстракте.

Основой процесса теркооСработгл твердой фазы является гидролитическое расщепление высокомолекулярных соединений. Основным кинетическим коэффициентом, характергзуташш "интенсивность процесса гвдро-лкза: яшшэтся константа скорости гидролиза. При гидролизе растительной ткани, в состав которой вьокят различные высокомолекулярные соединения, а тем более прз гидролизе веакольхагк растительных иазе-риалов одновременно. хотя и иыающах родственную основу, ш пршзгйв^ за основной ЕЕнетическеЗ коэффициент не константу скорости гидрояЕ- . ткческого расщепления какого-либо отдельного полисахарида, а общую константу. скорости гидролиза растительной ^кеяи* , ■

Для определения константы скорости гидролиза, а таете конечного количества растворимых веществ в гидрсстзате в специальном устройстве были проведены опыта по определению массовых концентраций растворимых продуктов гидролиза, содержащихся в растворе после термообработки твердой фазы. Ва основании полученных экспериментальных данных были

построены.кинетические кривые изменения содеркания растворимых зещест в растворе в зависимости от температуры и времени пропесса термообработки. ■ ^

Разделять влияние нагреЕа и охлаждения на пропесс термообработка из практических соображений не представляется возможным, поэтому в этом ке устройстве были проведены опыты по определении поправочного выхода процессов для кофз и оболочки в зависимости от времени нагрева - охлаждения при термообработке. Полученные экспериментальные дшггше служили исходными параметрами для расчета константы скорости гидролиза:

= дТпопр А-(Х-АХпопр) ' Л2/ ч

Для того, чтобы использовать данные кинетические закономерности для расчета пропесса в лпбых гидролизных аппаратах не зависимо от кине- , тики нагрева - охлаждения реактивной смеси, предлагается перейти к приведенной констаке скорости гидролиза: •

^Г^'^У^Хпшр ' а3/"

Это предлагается сделать, используя величину критерия гидролиза, а также разбиением кривой изменения температуры на определенные интервалы по времени и для кавдгого такого интервала принимать средних) для него температуру как постоянной. В качестве примера на рас.9 показаны рассчитанные по формуле /13/ зависимости от времени приведенной константы скорости гидролиза кофейаой оболочки. Полученные зависимости аппроксЕмаровались-ыетодом наименьших квадратов и.служили исходными данными для определения расчетных кривых выхода растворимых веществ при термообработка сызси измельченного кофе и кофейной оболочки по уравненш: _

г^м^О- (Г'^-гг. м/

В качестве примера на рис.10 приводятся такие кривые для кофейной

1КгюУ

Рис. 9 . з1висимость^)йведен^(^ нонетами скороЙи гидроййз£ от расчетного времена выдержи в пропессе термообработки оболочки.

50Гнин

лиза'

о Ю 20 30 Ю 50 60 10 Ю 90 (Совмин

Рис. Ю. . Расчетные кривые выхода растворимых веществ при термообработке кскЬейной оболочки в зависимости от времени и температуры выдержи.

оболочки. Из данных зависимостей видно, что в первый период процесса происходит наиболее интенсивное нарастание количества растворимых про— . дуктов гвдроляза в растворе, затем интенсивность.изменения концентрации раствора уменьшается. Последний период характеризуется уменьшением концентрации продуктов гидролиза и образованием нерастворимого . -смолистого осадка, что соответствует протеканию процессов разлоаения моносахаридов. Оптимальный резин ведения процесса для смеси материалов, не допускаюяий разложения мокосахаров, 210°С при выдержки 5 минут.

Уравнение /14/ с раскрытыми экспериментальным методйм функциональными зависимостями приведенной константы скорости гидролиза от времени и температуры является математической моделью процесса совместного гидролиза измельченного кофе и кофейной оболочки.

Шестая глава посвящена практическому применению результатов исследования.

Для осуществления процесса совместного экстрагирования измельченного кофз п кофейной оболочки модернизирован трехступенчатый способ получения кофейного экстракта, вклачстщий два ступени экстрагирования в шкековом экстракторе непрерывного действия и ступень промезуточной ( тертообработки в специальном устройстве. От прототипа этот способ отличается существенным упрощением конструкции гидролизеров и применением в вертикальной колонне шнековых экстракторов ковшевых элевато- . ров. Оригинальный подвод еедкой фазы в кааднй конл такого элеватора позволяет более тщательно промывать '.отработанный материал на выходе из аппарата.

Результаты исследований, проведенных спектрально-люышесцентшы ■изтодои, позволяют говорить об идентичности химических составов кофейных экстрактов и гидролизагов кофейных оболочек, тем самым позволяют получать продукт еысокого качества прздшгенннц способом. Эксперименты по определению солей тякелых и вредных металлов в экстрактах кофе и кофейной оболочка проводились в Российской академии сельскохозяйственных наук. Результаты анализов шюзманшьэшссионнш мето-

дом показали, что содержание тяжелых и вредные гаталлов в исследуемых: экстрактах примерно одинаковое и соответствует санитарный нормативам.

Определен ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения шдернизированного трехступенчатого способа получения кофейного экстракта с добавлением 3 % кофейной оболочки, составивший в пенах на ноябрь 1994 года 1195 шн. руб.

ВЫВОДЫ

1. На основе безитеращонного интервального метода разработана полная математическая модель экстракционных ступеней непрерывного способа, отражающая кинетические закономерности диффузионного переноса растворимых веществ в твердой фазе, учитывающая явления ноглощения жидкости, набухания твердых частиц, а, таете гидродинамические условия экстрагирования смеси обжаренного измельченного кофе и кофейной оболочки в аппарате непрерывного действия.

" 2. Изучены массопроводные свойства кофейной оболочки, а тахне ее смеси с измельченным кофе, и на юс основе раскрыта зависимость коэффициента дгафф^зси от ряда факторов. Идентичность химических .составов экстрактов из обнаженного кофе и кофейной оболочки позволяет сделать вывод, что для исследуемых материалов коэффициент диффузии в твердой фазе зависит, в основном, от строения растительной ткани. Разработана конструкция экспериментальной установки для определения молекулярного коэффициента процесса диффузии,

3. На основании исследований в разработанной эксиершлантальной установке с использованием модельных тел определены фильтрационные свойства и параметры слоя частац твердой фазы с различнЕиходерганием кофейной оболочки в снеси. Предложена нетрадиционная методика расчет та аффективного гидравлического диаметра каналов в слое с использованием модельных тел и поправочных коэффициентов. Полученные экспери- . ментальные результаты доказывают, что рекомендуемое внесение 3 % оболочки в измельченный кофз существенно не изменит гидродинамического

сопротивления слоя материала.

4. Разработана методика определения значения диффузионного критерия Бао и коэффициента массоотдачи как для частиц каждого материала при отдельном их экстрагировании, так и для смеси этих ке материалов пра их совместном экстрагировании в протпвоточном экстракторе. Исследовал иасиообмен в лабораторном горизонтальночпнековом экстракторе щи совместном экстрагировался измельченного кофе а кофейной оболочки, а тэкза гатериала, полученного после термообработки. Установлено, что на протяжении основной длительности процесса извлечения растворпмнх ' веществ ез обоих материалов лаштируется внутренним шссопереносом л конструктивными' особенностями горазснтальнонгаенозого экстраглора.'

3. На основе безигерзцйокного интервального метода разработала., блок-схема алгоритмов расчета ступеней непрерывного способа. На их основании составлена, программ на язнкз (О 6с5^с , которые реализовали на ПЗВМ "Искра 1030 М".

6. Ясследованн закономерности гидролитического распада высоко-шлзкулярннх соединений твердой фаза при термообработки, Определена зависимость константы скорости гидролиза и ^стерня гидролиза от температуры л времена процесса, а такие зависимость максимального выхода растворимых веществ от зтпх факторов. Получены, выражения для расчета приведенной константы скорости в период выдержи при фиксированных температурах в процессе термообработки. На этом основания получена математическая модель второй ступени. Разработана конструкция устройства для тершобрэбокш.

7. Получены ащроксшаровавнкз выражения для озрзделензя-выхода раствортакх веществ на трех ступенях способа от ряда факторов, удобных для практического использования. На основания анализа теоретичен. ■.„ [сих и экспериментальных дачных предложены ряштка Ёедекля процесса ка грех ступенях способа, обеспечивающие выход дополнительных растворимых веществ, около 3 % сухой массы обагренного кофз.

8. .На основании шлю изложенного модернизирован ступйячатый спо-

соб непрерывного получения экстракта из сизсн обагренного кофе и кофейной оболочки, включающий две ступени экстрагирования в экстракторах непрерывного действия п промежуточную термообработку твердой фазы в специальной устройстве.

■ 9. На основании проведенного анализа определены качественные характеристики экстрактов из обгаренного кофе и кофейной оболочки, такие как: содержание кофеина в ароштпчешшх альдегидов, налачие соле: тяжелых и вредных металлов и другие. На основании полученных результатов сделаны выводы об идентичности экстрактов из обжаренного коше и кофейной оболочки.

10. Внедрение данной схемы получения экстракта из смеси рбгарен ного кофе и кофейной оболочки в рекомендуемых соотношениях шдернкзи рованным ступенчатым способом позволит при использовании разработанных реяншв получать дополнительно 3 % растворимых веществ по сравне шьо. с цредлонешшл ранее трехступенчатым способом получения кэфэйгог экстракта еле дополнительно 14 % растворимых веществ ко сравнению с батареей экстракторов периодического действия, используемой в современном производстве растворимого кофе.

Условные обозначения - симплекс концентраций; Р и ^ - табулированная функция и корш характеристического уравнения; Ъ - соотношение расхода4 фаз; б - ш раметр, определяющий способ взаимодействия фаз; Го - критерий Фурье; I) - коэффициент диффузии растворимых веществ, ь^/с; с^р эквивалентный диаметр ШЕПОРОЕОГО пространства в слое; £ - порозность час тип слоя; Др~ тщравлтеское сопротивление материала; ,5 - площадь поперечного сечения аппарата; коэффициент динамической вяэкоои гидкости; - высота слоя материала; 0_ - объемный расход жидкой ф< зя через поперечное сечение аппарата, -мл/мин; ,Л - коэффициент сопта ■лишения слоя;. С - длина каналов в слое; У7 - скорость течения гид-кости в слое; К - коэффициент соотношения модели к реальному кате-

игу; da - эквивалентный диаметр, частиц; ^ - массовая концентрация олочки в смеси, кг/кг; ß - поправка на растворимые вэзества; Р — отность, кг/м^; if - коэффициент заполнения аппарата материалом; АН-лениз гдправлического сопротивления материала, ил в.ст.; R - эквива-нтннй разшр; *Ь - время, с; Ь - температура, °С; О - концентрация экстракте, СВ%; 0 - средняя по объему концентрация в липкой фазе,#; - концентрация в явдкой фазе, %; ßi - критерий Био; А - первоначапь— е содержание растворимых веществ в материале; X - текущее значение дергания растворимых веществ в гидролизате; ft* - константа скорости -злокения растварншх Еещзствв. гидролизате; 'bl- врема разложения рас— оримнх веществ; 2 - количество растворимых веществ, остающихся не-мзннши в каждый номзнт времени в гидролизате. v

Индексы -

- порядковый номер интервала; - порядковый номер; К - кофе; Оболочка; см- смесь- материалов; влагный; С-ух- сухой; динамичес— й; приведенный; ПСПр - поправочный; Ж-зидпосгь; И - насыпной.

Основное содерзание работы изложено в следующих работах: ' Y. ГРЕБЕИК С.М., БЫКОВ C.Ä.", ЕЛИЗАРОВА Т.Э. Исследование гидролитического сопротивления смеси измельченного кофе и кофейной оболочки Пищевая промышленность,- М.: 1994.- Je 5.- С. 35.

2. ГРЕБЕНЕК С.М., БЫКОВ С.А., ЕЛИЗАРОВА Т.Э. Использование кофей-8 оболочки в производстве кофейного экстракта // Пищэеэя промшшен-. сть,- ГЛ.: 1994,- 15 6.

3. A.C. 1709976 СССР, А 23 F 5/24. Способ получения кофейного гтракта / К.И. Виноградов, В.Я. Кононов, K.M. Михайлов, В.Ю. Абрашв, 2. Леонов, С.А. Быков /СССР/.- & 4719589 /13; Заявлено 17.07.89;

¡гбл. 07.02.92. Бал. й 5.

Подписано к пгчати йтпечвпш на ротапринта в Формат бумш: 30x42/4 Производственной комбинате ОбъвнЗ^ п. л/" Литературного фоша Зак. {j / Тир. 100