автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты

На правах рукописи

СЕМЁНОВА ОЛЬГА ЛЕОНИДОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПШЕНИЧНОЙ МУКИ В ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005017270

Ижевск -2012

005017270

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович Официальные оппоненты:

Айнов Рустам Сагитович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и электрооборудование» ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ

Лаврова Лариса Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Процессы и аппараты химической технологии» ФГАОУ ВПО УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 29 марта 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета КМ220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.9, ауд. 3-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

Автореферат разослан 28 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Литвинюк Надежда Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. В 2008...2010 годы в северном Казахстане, а также в близлежащих областях Российской Федерации в летний период наблюдалась крайне засушливая погода, характеризующаяся низким уровнем осадков. Зерно, собранное в период засухи или поврежденное суховеем, имеет особенности, которые необходимо учитывать при хранении и переработке. Суховейное зерно значительно отличается по своим свойствам от того, что собрано в период стабильных темперагурно-влажностных условий. Мука, полученная из суховейного зерна, содержит большее количество белкового азота и клейковины, характеризуется сниженной активностью протеиназ, а клейковина обладает повышенной упругостью и малой растяжимостью. Таким образом, муку, полученную из суховейного зерна, как правило, можно отнести к муке с пониженными хлебопекарными свойствами.

Для улучшения муки можно применять различные способы: внесение пищевых добавок, хлебопекарных улучшителей, биологически-активных добавок, физические методы обработки хлебопекарного сырья. Физические методы обработки (ультрафиолетовое, инфракрасное излучение, обработка в поле 'сверхвысокой частоты (СВЧ) и др.) являются наиболее перспективными направлениями в повышении качества пшеничной муки. Исследования по физическим способам обработки зерна и хлебопекарного сырья изложены в трудах Л.Я. Ауэрмана, A.C. Гинзбурга, Э.А. Исаковой, Т.Б. Цыгановой, Н.В. Цугленка, Г.И. Цугленок,

Г.Г. Юсуповой и других авторов.

Одним из физических способов является обработка токами сверхвысокой частоты, которая нашла широкое применение в пищевой промышленности, в том числе для улучшения показателей качества зерна и продуктов его переработки.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование влияния параметров СВЧ-обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна на её качественные показатели, что позволит выпускать продукцию требуемого качества.

Целью настоящей работы является исследование процесса СВЧ-обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна для улучшения показателей качества.

Задачи исследований:

- разработать и исследовать технологию обработки с применением СВЧ-поля на примере пшеничной муки, полученной из суховейного зерна на разработанной лабораторной установке периодического действия с СВЧ-энергоподводом;

разработать математическую модель энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом;

- определить рациональные параметры СВЧ-обработки муки, полученной из суховейного зерна с целью улучшения её показателей качества;

- обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Объект исследований: технологический процесс сверхвысокочастотной обработки пшеничной муки первого сорта, полученной из суховейного зерна, произрастающего в засушливых регионах Республики Казахстан и Российской Федерации.

Предмет исследований: экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров СВЧ-обработки на показатели качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования. Научная новизна:

- исследована и разработана технология обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна в поле СВЧ с целью улучшения её качества;

- разработаны математические модели частных процессов СВЧ-обработки пшеничной муки. Получены аналитические зависимости параметров для условий процесса в электромагнитном поле СВЧ;

- обоснованы режимы работы установки с СВЧ-энергоподводом для обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна в электромагнитном поле СВЧ.

Практическая ценность работы:

- разработана и, испытана лабораторная установка периодического действия с СВЧ-энергоподводом, на основе которой может быть создана промышленная установка;

- разработан технологический процесс и получены аналитические зависимости, обеспечивающие рационализацию энергозатрат при СВЧ-обработки муки для улучшения её показателей качества;

- определены рациональные параметры СВЧ-обработки муки, полученной из суховейного зерна с целью улучшения её показателей качества.

На защиту вынесены следующие положения:

- технология обработки муки, полученной из суховейного зерна на установке с СВЧ-энергоподводом;

- механизмы обработки пшеничной муки в электромагнитном поле СВЧ и их математическое описание;

- закономерности электротермического воздействия на показатели качества пшеничной муки;

- технико-экономическая эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модель, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетных задач, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.

Макет установки периодического действия с СВЧ-энергоподводом, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Транспорта и технологических машин» (Республиканское государственное казенное предприятие «Рудненский индустриальный институт», г. Рудный, Республика Казахстан) при активном участии автора.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе основные положения работы доложены и одобрены: на научно-практических конференциях: «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2009, 2010, на VI научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2011; на международных конференциях: «Роль стратегии индустриально-информационного развития Республики Казахстан в условиях

глобализации. Проблемы и перспективы», Рудный, 2009; «Инновации в образовании и науке в условиях политической и экономической модернизации Казахстана», Рудный, 2011; на III этапе Евразийского экономического форума молодежи, г.Ижевск, 2011.

Объем и структура диссертации

Работа изложена на 154 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, в том числе 18 рисунков и 12 таблиц, общие выводы и рекомендации, список использованной литературы из 210 источников, в том числе 21 на иностранном языке и 15 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также данные о научной новизне и практической ценности работы.

В первой главе «Современное состояние технологии и оборудования СВЧ-обработки пищевых материалов» рассмотрены существующие направления в улучшении качества пшеничной муки химическими, биологическими и физическими способами. Дан анализ технологий и оборудования для обработки продуктов в электромагнитном поле (ЭМП).

Проведенный анализ позволил установить:

- преимущество СВЧ-обработки над другими существующими способами для повышения качества пшеничной муки;

- необходимость дальнейших исследований процесса СВЧ-обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна;

- необходимость разработки технологии и оборудования для обработки пшеничной муки с использованием электромагнитного поля СВЧ.

Во второй главе «Обоснование технологии обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты с целью улучшения показателей качества» представлено теоретическое исследование процесса обработки в поле сверхвысокой частоты и приведено обоснование предполагаемого технологического процесса обработки пшеничной муки.

Установлена необходимость внесения изменений в традиционную технологию выработки муки и улучшать показатели качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна в поле сверхвысокой частоты после стадии контроля количественных и качественных характеристик в условиях производственной лаборатории (рисунок 1).

Для проведения экспериментальных исследований была взята мука первого сорта (контрольный образец) со следующими показателями (по средним значениям): влажность - 13,5 %; содержание белка - 15,17 %; белизна - 53,8 условных единиц по показаниям прибора РЗ-БПЛ; зольность - 0,65 %; массовая доля сырой клейковины -32,04 %, качество сырой клейковины - 38 условных единиц по показаниям прибора ИДК, растяжимость по линейке - 9 см, число падения - 405 е., кислотность муки -- 2,8 Лабораторные исследования проводились в производственно-технической лаборатории мельничного комплекса ТОО «Иргиз» (г. Рудный, Республика Казахстан).

Рисунок 1 - Схема предлагаемой технологии производства пшеничной муки

Исследования обработки пшеничной муки осуществляли на лабораторной установке с СВЧ-энергоподводом (рисунок 2), разработанной аспирантом. Электроэнергия от узла ввода 4 после включения установки подается в блок автоматики 5, который обеспечивает нормальные условия работы магнетрона 9 - защту от перегрева, последовательность включения. Кроме этого энергия подается в накальный трансформатор 6. При этом включается вентилятор охлаждения магнетрона 8, и получают питание блок защиты 3 и блок управления 2. После прогрева катода магнетрона, задается необходимая толщина слоя муки с помощью экранирующей шиберной заслонки 13, включается привод транспортёра 14, происходит загрузка рабочей камеры И продуктом 12 при помощи транспортера 15 и на блоке 1 задается продолжительность обработки и удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода. Процесс диэлектрического нагрева начинается после подачи напряжения на анодный трансформатор 7, высокое напряжение которого подается на СВЧ-генератор, при этом СВЧ—энергия подается в рабочую камеру И, через диэлектрическую перегородку 10. При обработке производят измерение температуры образца электронным термометром 16 с термопарой. После окончания процесса обработки установка переходит в дежурный режим. При этом анодный трансформатор и привод отключаются. После обработки пшеничную муку охлаждают естественным путем до достижения температуры 20.. .22 °С, при которой проводят исследование показателей качества муки.

Для проведения эксперимента был выбран симметричный композиционный план Бокса второго порядка, состоящий из 14 опытов в трехкратной повторносги. Расчеты и графическая интерпретация результатов реализации параметрических моделей проводились с использованием программного обеспечения MathCAD14, STATISTICA 6.1, Microsoft Excel 2007. Достоверность результатов подтверждалась критерием Фишера (F-критерий) при доверительной вероятности р = 0,95.

В соответствии со схемой проведения эксперимента предусматривалось изучение показателей качества пшеничной муки с помощью стандартизованных физико-химических методов исследований. Определение безопасности хлеба по показателю микробиологической устойчивости хлебных изделий к возбудителю картофельной болезни (Bacillus subtilis) осуществлялось проведением пробной выпечки хлеба в лабораторных условиях.

5 - блок автоматики магнетрона; 6 - макальный трансформатор; 7 - анодньш трансформатор;

8 - вентилятор охлаждения магнетрона; 9 - магнетрон; 10 - диэлектрическая перегородка;

11 - рабочая камера; 12 - обрабатываемый продукт; 13 - экранирующая шиберная заслонка;

14-привод транспортера; 15-транспортёр; 16-термометр Рисунок 2 - Схема лабораторной установки с СВЧ-энергоподводом

В результате исследований выявлено, что показатели качества муки (у,) зависят от следующих параметров обработки в поле СВЧ: температуры нагрева муки, времени обработки, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода, толщины слоя муки при обработке в электромагнитном поле СВЧ:

у,=ДТ,Р,і,И), (1)

где Т - температура обработанного продукта, °С; Р - удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода, кВт/м ; I - время воздействия СВЧ-поля, с; Ь - толщина слоя муки, мм.

В третьей главе «Теоретическое обоснование применения СВЧ-обработкп для улучшения показателей качества пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом» приведены результаты теоретических исследований обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна в СВЧ-поле.

Для определения влияния параметров электромагнитного поля СВЧ на температуру пшеничной муки, общее количество тепла, подведенное в обрабатываемую пшеничную муку, Дж, вычисляется

д=Р„-Л = п-є'-ІЕб-/-Е2-У-Л, (2)

где Р0 - мощность, Вт; п - эмпирический коэффициент, п =0,556-Ю"6 Ф/м; є' -действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости материала; <5 - угол диэлектрических потерь, / - частота электромагнитного поля, Гц; Е - напряженность электрического поля, В/м; V— рабочий объём камеры, м3.

Удельную мощность СВЧ-обработки, кВт/м3, можно определить „ п10~2-Є'-ірЗ-ГЕ2

р =-V-• (3)

Глубина проникновения электромагнитного поля, м, рассчитывается, как

где / - эмпирический коэффициент, / =9,55-107 м/с

При микроволновом воздействии на пшеничную муку в основном наблюдается перенос тепла, поэтому для характеристики данного процесса рассматривается система дифференциальных уравнений конвекционного теплообмена. Уравнение энергии для движущейся среды с учетом испарения влаги из материала и с внутренним источником тепла, имеет вид

р. С(1 - + ГаРрА{Х - П) = Я(1 - П)У2Т + N. , (5)

<Л I

где р - плотность муки, кг/м3; с - удельная теплоемкость пшеничной муки, Дж/(кг-°С); П -порозность пшеничной муки в слое; г - удельная теплота испарения, Дж/кг; /? - удельная поверхность, м2/м; а - доля испаренной влаги; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С); V- -оператор Лапласа, м"2; /\'„ - плотность мощности внутренних источников, В г/м\

Плотность внутренних источников тепла связана с местом подвода СВЧ -энергии к материалу. Плотность мощности определяется выражением

у_

0< у <И,

где у - координата изменения толщины слоя,муки, м.

Р=-

N

СВЧ

(6)

(7)

где Исвч - мощность СВЧ, Вт; Р0 - площадь поперечного сечения, м .

Для решения задачи теплопроводности по распределению температурного поля в слое муки, примем допущение, что слой пшеничной муки при обработке в электромагнитном поле будем считать одномерной бесконечной пластиной, которая геометрически ограничена по одной координате - толщине и соответственно, изменение температуры, происходит по одной координатной оси. Расчетная схема для решения задачи тепловодности по распределению температурного поля в слое муки представлена на рисунке 3.

Уравнение теплопроводности по распределению температурного поля в слое

муки

= (8)

4у-

где Р-площадь поверхности, м2,С!-периметр поверхности обрабатываемого материала, м; к -удельная теплоотдача, Вт/(м2-°С); Тс - температура в слое муки, °С.

Рисунок 3 - Схема расчета задачи по распределению температурного поля в слое муки

Решением уравнения (8) будет служить

Т = C{chy ■ v + C2sliy ■ у, (9)

2 _U к

гдеГ =Т~Г

Учитывая граничные условия 0 <у < h, Т|у,о=Тс, Т|у=ь=Тс

T--Tcchy.y+T^-Ch[-h).shy.y. (10)

shy И

При обработке в электромагнитном поле в квазистационарном случае и уравнения (10), уравнение (5) примет вид

dt t dy2 1-Я

. , (\-chyh) d F(y)_

где F(y) = chy ■ у + -— ' 'shy Ун ——2—- Л (У).

shy ■ h ay

Решением уравнения (11), будет служить

i / > l i \ -chy-h •Mr chr-y + Г --;--shf-y)

^---' , ,

........+

Гг = /<e

Ч1-Я)

, / 2 , 2 i-chy-h , „ ' ('2)

Л-(/ chy-y + y ------shy-y)

1 - jn/ • h

где /1 - начальная температура пшеничной муки, °С.

Согласно поставленной задаче улучшения качественных показателей пшеничной муки в электромагнитном поле СВЧ необходимо нагреть пшеничную муку на предельно допустимую температуру за определенный период времени. Для обработки пшеничной муки была выбрана частота 2,45±0,05 ГГц, которая является рациональной для тепловой обработки большей части пищевых материалов. На этой частоте коэффициент поглощения СВЧ-излучения очень высокий, а глубина проникновения поля достаточна для равномерного распределения энергии по всему объему нагреваемого продукта. Диапазон варьирования удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода предварительно принимался от 0,1 до 0,6 кВт/м3 (формулы (3) и (7)). Изучалось влияние этого параметра на температуру нагрева пшеничной муки при СВЧ-обработке. Время обработки варьировалось в пределах 30...90 секунд, диапазон значений был принят исходя из энергоёмкости процесса обработки (формула (2)). При влажности в диапазоне 12... 14 %, учитывая электрофизические характеристики пшеничной муки рациональной глубиной проникновения электромагнитного поля можно считать 20...40 мм (формула (4)). Исследованиями установлено, что при СВЧ-обработке признаки первоначального изменения клейковинного комплекса происходят при температуре 30 °С, а его разрушение при температуре 75 °С и выше. Принимаем граничные условия 30 °С<Гс<75 °С для решения уравнения (12), учитывая тепло- и электрофизические характеристики пшеничной муки. Анализируя зависимость (12), установленную между температурой нагрева пшеничной муки и параметрами СВЧ-обработки, можно установить, что режимными параметрами обработки, при которых достигается температура 30...75 °С являются: время

воздействия t=30...90 с; удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода Р=0,12.. .0,408 кВт/м3; толщина слоя муки h=20.. .40 мм.

Таким образом, разработана математическая модель энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом, связывающая изменение температуры пшеничной муки при СВЧ-обработке с изменением времени обработки, удельной мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки.

В четвертой главе «Исследование влияния параметров СВЧ-обработки на физико-химические показатели пшеничной муки, полученной из суховейного зерна» проведено комплексное исследование влияния параметров СВЧ-обработки на показатели качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Математическая обработка экспериментальных данных методом множественного регрессионного анализа позволила получить эмпирические зависимости физико-химических показателей пшеничной муки от параметров СВЧ-обработки при действии режимных факторов: времени воздействия t, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода Р, толщины слоя муки h в заданной области значений их уровней. Если на показатель оказывалось существенное совместное влияние двух факторов (tP, Ph, th), то для его выявления строились частные зависимости показателей от них.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, связывающее показатели качества со временем воздействия (х,), удельной тепловой мощностью СВЧ-энергоподвода (х2), толщиной слоя муки (х3). В уравнениях (13)—(21) представлены эмпирические зависимости температуры и показателей качества пшеничной муки, характеризующие её хлебопекарные свойства:

у, = 56,96 + 8,87*, + 12,23*, + 4,83*, - 2,63*,2 -3,79*2 +4,25*,*, -0,75*,*,, (13) у2 = 11,75-1,13*, -1,32*, -0,57*, -0,348*,2 -0,912*,*2 -0,179*,*, -0,179*2*,, (14) у, = 51,73 - 0,75*, - 1,44*2 - 0,137*, + 0,192*2 + 0,292*,2 - 0,57*,*2, (15)

ул = 34,88 - 2,93*, - 2,81*, - 2,04*, -1,6*,2 - 2,14*2 - ^ ^

- 1,43*,2 - 3,52*,*, - 2,935*,*, - 2,84*,*, у5 = 51,71-8,9*, - 13,5*2 -0,97*,-6,54*2 - 13,58*, *2 -5,67*,*,-7,33*2*, ^ ^

у6 =15,26-0,025*| -0,058*2 -0,032*2 +0,014*,2 -0,085*,*2 -0,015*,*, -0,019*2*,, (18) у7 = 11,44 - 2,37*, - 2,33*2 - 2,1*22 - 2,96*,*2 -1,21*,*, -1,79*2*,, (19)

= 344,75 + 33,87*, + 9,083*,2 + 52,25*2 - 13,083*,2 + 20,583*,*2 + 7,33*2*,, (20) у, =2,594 + 0,06*, + 0,197*, +0,24*2 +0,129*,*2, (21)

где yi - температура продукта, °С; у2 - влажность, %; у3 - белизна, усл. ед. по показаниям прибора РЗ-БПЛ; у4 - количество клейковины, %; у5 - массовая доля сырой клейковины, усл. ед. по показателю прибора ИДК; уб,- растяжимость клейковины, см; у7 - содержание белка, %; у8 - число падения, с; у 9 — кислотность,

Исследование влияния параметров СВЧ-обработки на показатель зольности пшеничной муки не проводилось, т.к его изменения процессе обработки в электромагнитном поле СВЧ были незначительны.

Анализируя уравнение (13) установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании

10

минимальных и максимальных значений времени воздействия и толщины слоя муки происходит увеличение температуры вгагрева.

Анализ уравнения регрессии (14) выявил, что между влажностью муки и входными параметрами существует сильная корреляция. Установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки происходит уменьшение влажности муки. Снижение влажности пшеничной муки при СВЧ-обработке обусловлено тепловым воздействием параметров поля сверхвысокой частоты на структуру муки, т.к происходит её усушка.

Анализируя уравнение (15), установлено, что с увеличением времени воздействия от 60 до 90 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,264 до 0,408 кВт/м3, толщины слоя муки от 30 до 40 мм, а также при сочетании максимальных значений времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода происходит уменьшение показателя белизны в связи с тепловым воздействием параметров СВЧ—поля на муку.

Анализ уравнения регрессии выявил (16), что между массовой долей сырой клейковины муки и входными параметрами существует средняя корреляция. Из уравнения регрессии видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, толщины слоя муки от 20 до 30 мм, а также при сочетании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки происходит увеличение массовой доли сырой клейковины в муке. Данные изменения можно объяснить тем, что при СВЧ-обработке в клейковине увеличивается количество дисульфидных связей (-8=8-), по сравнению с клейковиной муки контрольного образца, имеющего большее количество сульфгидрильных связей (-БН).

Анализируя уравнение (17), установлено, что между качеством сырой клейковины и входными параметрами существует средняя корреляция (рисунок 4). Из уравнения регрессии видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, толщины слоя муки от 20 до 30 мм, а также при сочетании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки качество сырой клейковины улучшается. В контрольном варианте мука имела удовлетворительную по качеству клейковину (II группа качества, удовлетворительно крепкая). При обработке муки при вышеперечисленных параметрах, она достигает температуры 35...51°С, происходит частичная денатурация белков, проявляющаяся в виде расслабления клейковины пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Анализ уравнения регрессии (18) выявил, что между содержанием белка и входными параметрами существует средняя корреляция. Установлено, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, а также при сочетании минимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки содержание белка не уменьшается по сравнению с контрольным образцом.

Рисунок 4 - Зависимость качества сырой клейковины муки от времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода

Из уравнения регрессии (19) видно, что при времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, а также при варьировании минимальных и максимальных значений времени воздействия, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода и толщины слоя муки происходит увеличение показателя растяжимости. Повышение растяжимости клейковины пшеничной муки при СВЧ-обработке обусловлено воздействием параметров поля сверхвысокой частоты на структуру муки, при вышеперечисленных параметрах мука нагревается до температуры 38...45°С, клейковина при этом теряет упругость в результате частичной денатурации белков и становится более растяжимой.

Анализ уравнения регрессии (20) выявил, что между числом падения муки и режимными факторами существует сильная корреляция. При этом число падения с увеличением удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода в диапазоне времени воздействия от 60 до 90 с, возрастает, а при времени воздействия от 30 до 60 с, с ростом удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода число падения снижается (рисунок 5). Уменьшение значения числа падения можно объяснить повышением активности амилолитических ферментов а- и р-амилазы под воздействием электромагнитного поля СВЧ.

Анализ уравнения регрессии (21) выявил, что между кислотностью муки, временем воздействия и удельной тепловой мощностью СВЧ-энергоподвода существует сильная корреляция, причём толщина слоя муки не оказывает влияния на показатель кислотности. Из уравнения регрессии видно, что с увеличением времени воздействия от 30 до 60 секунд, удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода от 0,12 до 0,264 кВт/м3, происходит уменьшение кислотности муки. Снижение показателя кислотности связано с ростом связи фосфорных соединений в фитине.

Для каждого параметра оптимизации также были получены предельные значения в диапазоне режимных параметров при помощи прикладной программы «МаИтСАОИ».

Рисунок 5 - Зависимость числа падения муки от времени воздействия и удельной тепловой мощности СВЧ-энергоподвода

Путём анализа экспериментальных данных были определены рациональные параметры СВЧ-обработки пшеничной муки, т.е. диапазоны параметров обработки в электромагнитном поле СВЧ, в пределах которых наблюдалось наиболее существенное улучшение показателей качества муки, полученной из суховейного зерна (таблица 1).

Таблица 1 - Рациональные параметры СВЧ-обработки пшеничной муки

Номер варианта Время воздействия, t, С Удельная тепловая мощность, Р, кВт/м' Толщина слоя муки, h, мм

1 80- -90 0,12 20

2 30- -35 0,264+0,408 20

3 30- -90 0,12 30

4 30- -35 0,264 30

5 30- -60 0,12 40

6 30- -35 0,264 40

Для определения безопасности хлеба по показателю микробиологической устойчивости хлебных изделий к возбудителю картофельной болезни (Bacillus subtilis) осуществляли проведение пробной выпечки хлеба в лабораторных условиях. Было установлено, что в образцах хлеба из муки контрольного образца признаки развития картофельной болезни проявились после 24 ч термостатирования. В образцах хлеба, выпеченных из обработанной муки, картофельная болезнь проявилась в течение 72 (1, 3, 5 вариант) и 96 часов (2, 4, 6 вариант), что больше требуемых 36 ч согласно «Инструкции по предупреждению картофельной болезни хлеба».

Целесообразность применения того или иного варианта зависит от исходного качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна. Так,

варианты 1, 4, 5, 6 могут быть применимы для пшеничной муки с качеством сырой клейковины 30...40 единиц прибора ИДК, вариант 2, 3 - для пшеничной муки с качеством сырой клейковины 40...45 единиц прибора ИДК.

Адекватность математической модели энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки проверена путем сравнения дисперсий расчётных данных с экспериментальными по критерию Фишера (Р-критерий) (рисунок 6).

0.12 0,156 0,192 0.22S 0,264 0,3 0,336 0,372 0.40S Сдельная тепловая .мощность СВЧ-энергоподвода. кВт лЗ Время обработки. < -О-30 -О-60 -Л-90 -Х-30 -Ж-60 -О-90 экспериментальные данные теоретические данные

Рисунок 6 - Температуры нагрева пшеничной муки при обработке на установке периодического действия с СВЧ-энергоподводом

Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в программах STATISTIC А 6.1 и Microsoft Excel 2007.

Таким образом, при рациональных параметрах обработки качество пшеничной муки принимает целесообразные для применения в хлебопекарном производстве параметры: по прибору ИДК она соответствует I группе качества (55...65 ед. прибора ИДК), по растяжимости - средней, число падения снижается на 12...20 %, содержание массовой доли сырой клейковины увеличивается на 4... 11 %, показатель кислотности снижается на 5...8 %, показатель белизны уменьшается незначительно - на 1...2,5 %, содержание белка не снижается по сравнению с контрольным образцом, показатель зольности практически не изменяется по сравнению с контрольным образцом, а влажность муки снижается на 2...9%.

В пятой главе «Технико-экономические показатели и эффективность разработанной технологии и оборудования» приведены расчеты капиталовложений и эксплуатационных расходов на СВЧ-обработку муки в промышленной установке с СВЧ-энергоподводом (рисунок 7), экономической эффективности, критического объема производства пшеничной муки и чистого дисконтированного дохода при внедрении установки с СВЧ-энергоподводом на примере мельничного комплекса ТОО «Иргиз» (г. Рудный, Республика Казахстан).

Установка состоит из экранного корпуса 1 и каркаса 2, на передней панели которой размещен блок управления 3, диэлектрическая шиберная заслонка с приводом 4 для загрузки продукта в рабочую камеру 5. Рабочая камера 5 имеет форму параллелепипеда и снабжена транспортёром 7. Магнетрон 8 получает напряжение от системы питания, соединенной с узлом ввода энергии 9.

// 4 3 / 8 9 5 6 12

1 - корпус; 2 - каркас; 3 - блок управления; 4,6 - заслонки; 5 - рабочая камера;

7 - конвейер; 8 - магнетрон; 9 - узел ввода энергии; 10 - блок контроля работы установки;

11 - бункер; 12 — пневмотранспортёр Рисунок 7 - Функциональная схема промышленной установки с СВЧ-энергоподводом

После подключение установки к источнику электроэнергии пшеничную муку из бункера 1 I загружают в рабочую камеру при помощи транспортёра, задают на панели управления удельную мощность СВЧ-энергоподвода и время обработки. Толщина слоя муки регулируется при помощи шиберной заслонки 4. Далее магнетрон создаёт переменное магнитное поле, имеющее частоту колебаний 2,45±0,05 МГц. По окончании процесса пшеничная мука выгружается из рабочей камеры через диэлектрическую заслонку 6 с приводом и подается пневмотранспортом 12 на бестарное хранение в бункера с последующим проведением контроля качества муки. Установка с СВЧ-энергоподводом снабжена системой контроля и управления 10. Температура муки в процессе обработки контролируется термодатчиками (Т1 и Т2), расположенными по длине рабочей камеры установки.

Результаты расчетов экономических показателей, приведенные в таблице 2, подтверждают рациональность использования установки с СВЧ-энергоподводом на предприятиях по переработке зерна.

Таблица 2 - Основные экономические показатели по капитальным вложениям и текущим затратам при обработке пшеничной муки в установке с СВЧ-энергоподводом

Показатели Без отработки С обработкой вСВЧ-установке

Объём производства в натуральном выражении, тонн 7110 7110

Цена тонны производимой продукции, тыс. руб. 13 14

Себестоимость зерна на производство муки, тыс. руб. 43931,25 43931,25

Первоначальные капитальные вложения, тыс. руб. - 1056

Текущие затраты на содержание и эксплуатацию оборудования в год, тыс. рублей - 3091,67

Выручка от реализованной продукции, тыс. руб. 92430 99540

Экономический эффект от реализации муки, тыс. руб. - 7110

Экономическая эффективность, руб./руб 1,71

Критический объем производства, тонн 3728

Чистый дисконтированный доход за три года, тыс. рублей - 117343,79

Годовой экономический эффект после внедрения разрабатываемой установки в производство составит 7110 тыс. руб., критический объем производства муки с внедрением установки с СВЧ-энергоподводом составит 3728 тонн при годовой производительности 7110 тонн пшеничной муки, что указывает на то, что капитальные вложения окупаются менее чем за год, при этом значение чистого дисконтированного дохода положительное и составляет за трехлетний период 116450,3 тыс. рублей.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ технологий по улучшению показателей качества пшеничной муки химическими, биологическими и физическими способами, который позволил установить целесообразность использования сверхвысокочастотного поля для обработки муки, полученной из суховейного зерна. Рассмотрено существующее оборудование для обработки зерна и продуктов его переработки в электромагнитном поле СВЧ.

2. Разработана и исследована технология обработки с применением СВЧ-поля на примере пшеничной муки, полученной из суховейного зерна. Выявлены условия проведения обработки в электромагнитном поле СВЧ и установлены основные параметры процесса, влияющие на показатели качества муки: время воздействия, удельная тепловая мощность, толщина слоя муки.

3. Разработана лабораторная установка с СВЧ-энергоподводом для изучения влияния СВЧ-поля на показатели качества пшеничной муки, описан алгоритм работы установки.

4. Представлены физические модели процесса обработки в электромагнитном поле СВЧ на установке периодического действия. Разработана математическая модель энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом. На основании полученной зависимости, для исследований и определения рациональных режимов СВЧ-обработки пшеничной муки при частоте 1=2,45±0,05 ГГц можно использовать

следующие диапазоны входных параметров, позволяющие производить обработку пшеничной муки в СВЧ -поле до предельно-допустимой температуры: времени обработки t=30.. .90 с,

удельной мощности СВЧ-энергоподвода Р=0,12...0,408 кВт/м толщины слоя муки h=20...40 мм.

5. Исследована кинетика СВЧ-обработки на установке периодического действия с СВЧ-энергоподводом на количественные и качественные показатели пшеничной муки. Математическая обработка экспериментальных данных позволила определить рациональные параметры СВЧ-обработки, при которых качество клейковины принимает рациональные для применения в хлебопекарном производстве параметры: по прибору ИДК она соответствует I группе качества (55...65 ед. прибора ИДК), по растяжимости - средней, число падения снижается на 12...20 % при этом увеличивается содержание массовой доли сырой клейковины на 4...11 %; показатель кислотности снижается на 5...8 %, показатель белизны уменьшается незначительно - на 1.. .2,5 %, содержание белка не снижается по сравнению с контрольным образцом, показатель зольности практически не изменяется по сравнению с контрольным образцом, а влажность муки снижается на 2...9%.

6. Разработана функциональная схема промышленной установки с СВЧ-энергоподводом, на основании которой обоснована технико-экономическая эффективность разработанной технологии и оборудования. Годовой экономический эффект после внедрения разрабатываемой установки в производство составит 7110 тыс. руб., критический объем производства муки с внедрением установки с СВЧ-энергоподводом составит 3728 тонн при годовой производительности 7110 тонн пшеничной муки, что указывает на то, что капитальные вложения окупаются менее чем за год, при этом значение чистого дисконтированного дохода положительное и составляет за трехлетний период 116450,3 тыс. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Журналы, указанные в перечне ВАК:

1. Семёнова, О.Л. Оптимизация параметров обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты/ОЛ.Семёнова//Известия Оренбургского государственного аграрного университета - Оренбург: ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет», 2011. — №4 (32). - С. 107-110.

2. Семёнова, ОЛ. Влияние режимных параметров СВЧ-установки на показатели качества пшеничной муки/О.Л.Семёнова//Вестник Алтайского Государственного аграрного университета - Барнаул: ФГБОУ ВПО «Алтайский Государственный аграрный университет», 2012. -№1(87). - С. 74-76.

3. Семёнова О.Л. Разработка технологии обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты и исследование влияния режимных параметров на её показатели качества / О.Л. Семёнова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №01(75). С. 715 - 729. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/0l/pd£/54.pdf

Другие издания:

4. Семёнова, О.Л. Влияние сверхвысокочастотной обработки на качество муки/О.Л.Семёнова//Качество продукции, технологий и образования: материалы IV научно-практической конференции - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2009. - С. 54-60.

5. Семёнова, О.Л. Физические методы обработки хлебопекарного сырья как перспективное направление в повышении качества хлеба и хлебобулочных изделий/О.Л.Семёнова, Е.Н.Рязанцева// Роль стратегии индустриально-информационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации. Проблемы и перспективы: сборник материалов международной конференции -Рудный : РГКП Рудненский индустриальный институт, 2009. - С.353-357.

6. Семёнова, О.Л. Использование сверхвысокочастотной технологии для обработки муки с пониженными хлебопекарными свойствами /О.Л.СемёноваЖачество продукции, технологий и образования: материалы V научно-практической конференции г. Магнитогорск, 13-14 апреля, 2010 г. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г. И. Носова», 2010. - С. 204-206.

7. Семёнова, О.Л. Применение сверхвысокочастотной обработки для улучшения качества некондиционной муки /ОЛ.Семёнова// Актуальные проблемы современной науки, техники и образования : материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГГУ», 2010. - Т. 1.-С. 99-102.

8. Семёнова, О.Л. Влияние СВЧ-обработки на качество муки с пониженными хлебопекарными свойствами/ОЛ.Семёнова//Алдамжаровские чтения: сборник материалов международной научно-практической конференции - Костанай: КСТУ им.З.Алдамжар, 2010. - С. 396-401.

9. Семёнова, О.Л. Исследование влияния параметров поля сверхвысокой частоты на количественные и качественные показатели муки /О.Л.Семёнова//Качество продукции, технологий и образования: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием - Магнитогорск: МиниТип 2011.-С. 271-276.

10. Семёнова, О.Л. Применение СВЧ-обработки для улучшения качества муки, полученной из суховейного зерна/ОЛСемёнова// Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: материалы V международной научно-практической конференции г. Челябинск, 21-22 октября, 2011 г.: в 2 т. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - Т. I-С 123— 127.

11. Семёнова, О.Л. Повышение качества пшеничной муки путем обработки СВЧ-излучением/ОЛ.Семёнова//Инновации в образовании и науке в условиях политической и экономической модернизации Казахстана : сборник материалов международной научно-практической конференции - Рудный: РГКП Рудненский индустриальный институт, 2011. - С.204-208.

12. Семёнова, О.Л. Технология улучшения качества хлебопекарной пшеничной муки СВЧ-излучением/О.Л.Семёнова//Дулатовские чтения-2011: сборник материалов международной научно-практической конференции - Костанай: КИНЕУ 2011 - С 277-279.

Сдано в производство 24.02.2012 Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84 "|6-Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4385 Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 11

Н'

V

61 12-5/2150

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПШЕНИЧНОЙ МУКИ В ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

СЕМЁНОВА ОЛЬГА ЛЕОНИДОВНА

Научный руководитель: д.т.н., профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Ижевск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И

ОБОРУДОВАНИЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 12

1.1 Качественные показатели пшеничной муки 12

1.2 Биологические и химические методы улучшения

хлебопекарных свойств муки 18

1.3 Физические методы улучшения качества зерна,

пшеничной муки, теста и хлеба 21

1.3.1 Ультрафиолетовое излучение 22

1.3.2 Инфракрасное излучение 23

1.3.3 Другие физические и электрофизические методы

обработки зерна, муки и хлеба 25

1.4 Использование сверхвысокочастотного нагрева

с целью улучшения качества зерна, муки и хлеба 28

1.4.1 Физические основы воздействия СВЧ-обработки на материалы 28

1.4.2 Основные направления использования СВЧ-обработки

в пищевой промышленности 30

1.4.3 Применение СВЧ-энергоподвода для обработки

зерна и продуктов его переработки 33

1.4.4 СВЧ-установки для обработки пищевых продуктов 37

1.5 Выводы по главе 43

2 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПШЕНИЧНОЙ МУКИ В ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА 47

2.1 Теоретическое исследование процесса обработки

в поле сверхвысокой частоты 47

2.2 Обоснование предполагаемого технологического процесса обработки пшеничной муки в поле сверхвысокой

Г Г\

частоты эи

Л Л /Л/* Г" /ПУЛ тт л г"

иооснование выоора параметров ч-оораоотки пшеничной муки 51

2.4 Описание установки для обработки пшеничной___

муки в поле сверхвысокой частоты 56

2.5 Планирование эксперимента и схема опыта

по улучшению показателей качества пшеничной муки 58

2.6 Методы исследований показателей качества муки 61 2.7. Выводы по главе 65 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

КАЧЕСТВА ПШЕНИЧНОЙ МУКИ НА УСТАНОВКАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ 66

3.1 Разработка математической модели энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом 66

3.2 Теоретическое обоснование режимов СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия

с СВЧ-энергоподводом 71

3.3 Выводы по главе 73 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ

СВЧ-ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ ПШЕНИЧНОЙ МУКИ 75

4.1 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на температуру нагрева пшеничной муки 75

4.2 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на влажность пшеничной муки 78

4.3 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на белизну пшеничной муки 82

4.4 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на массовую долю сырой клейковины пшеничной муки 86

4.5 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на качество сырой клейковины пшеничной муки 90

4.6 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на содержание белка в пшеничной муке 93

4.7 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки

на растяжимость клейковины пшеничной муки 97

4.8 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки на число падения пшеничной муки

4.9 Результаты влияния параметров СВЧ-обработки на кислотность пшеничной муки

4.10 Обоснование рациональных параметров обработки

пшеничной муки в поле сверхвысокой частоты 108

4.11 Оценка хлеба из пшеничной муки, полученной после СВЧ-обработки на заболеваемость бактериями

Bacillus subtilis 111

4.12 Выводы по главе 112 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ 115

5.1 Проектирование промышленного образца

установки с СВЧ-энергоподводом 115

5.2 Расчет капиталовложений и эксплуатационных расходов

на СВЧ-обработку пшеничной муки 117

101

105

5.3 Расчёт экономической эффективности, чистого дисконтированного дохода при внедрении установки

с СВЧ-энергоподводом 123

5.4 Выводы по главе 128 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 13О СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 132 ПРИЛОЖЕНИЯ 155 ПРИЛОЖЕНИЕ А 156 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 157 ПРИЛОЖЕНИЕ В 162 ПРИЛОЖЕНИЕ Г , 164 ПРИЛОЖЕНИЕ Д 167 ПРИЛОЖЕНИЕ Е 169 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 172 ПРИЛОЖЕНИЕ И 175 ПРИЛОЖЕНИЕ К 178 ПРИЛОЖЕНИЕ Л 181 ПРИЛОЖЕНИЕМ 183 ПРИЛОЖЕНИЕ H 184 ПРИЛОЖЕНИЕ П 185 ПРИЛОЖЕНИЕ Р 188 ПРИЛОЖЕНИЕ С 190

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1. Обозначения:

[Э - общее количество тепла, подведенное в обрабатываемую пшеничную муку, Дж;

£' — действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости материала;

3 - угол диэлектрических потерь, п- эмпирический коэффициент, п- 0,556-10 Ф/м; /- частота электромагнитного поля, Гц; А - глубина проникновения электромагнитного поля, м;

•7

I -эмпирический коэффициент,/=9,55-10 м/с; Е- напряженность электрического поля, В/м;

— термический к.п.д; /^-потребляемая мощность, Вт;

Т- температура обработанного продукта, °С; Р - удельная тепловая мощность СВЧ-энергоподвода, кВт/м3; ? - время воздействия СВЧ-поля, с; Н - толщина слоя муки, мм;

у- координата изменения толщины слоя муки, м;

V- рабочий объём камеры, м3;

П - порозность пшеничной муки в слое;

с - удельная теплоемкость пшеничной муки, Дж/(кг-°С);

т - масса обрабатываемой пшеничной муки, кг;

к-удельная теплоотдача, Вт/(м2-°С);

г- 2

р - площадь поверхности, м ; р - плотность муки, кг/м3; г - удельная теплота испарения, Дж/кг; Р - удельная поверхность, м2/м3;

- плотность мощности внутренних источников, Вт/м3; а - доля испаренной влаги;

tg - продолжительность обработки в установившемся режиме, с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); А- начальная температура пшеничной муки, °С; Nсвч~ мощность СВЧ, Вт; Е(г площадь поперечного сечения, м2; и- периметр поверхности обрабатываемого материала, м;

Тс - температура в слое муки, °С;

_2

V2 - оператор Лапласа, м ;

2. Сокращения:

СВЧ-диапазон волн - сверхвысокочастотный диапазон волн; СВЧ-обработка - сверхвысокочастотная обработка; СВЧ-поле - сверхвысокочастотное поле; СВЧ-энергоподвод - сверхвысокочастотный энергоподвод;

ВВЕДЕНИЕ

Пшеница - основная и самая важная продовольственная культура в большинстве стран мира. Ее культивируют более чем в 80 странах. Из многочисленных видов пшеницы в мировом земледелии возделывается, главным образом, пшеница мягкая и твердая.

Производство пшеницы всегда требует особого внимания к деталям. В основном, выращиваемая пшеница используется для производства муки, и соответственно здесь требуется высококачественный продукт [50].

Белковые вещества, содержащиеся в зерне, образуя белковый комплекс, обусловливают качество зерна, поскольку в процессе его переработки в муку, а затем в тесто, белки образуют единый структурный каркас. Основу этого каркаса составляет взаимодействие, главным образом, двух групп белков — глиадина и глютенина, т.е. технологические свойства муки, ее способность давать высококачественный хлеб определяет не весь белок в целом, а только те белковые вещества, которые не растворяются в воде и солевых растворах и образуют вещество, называемое клейковиной. Только при определенном уровне содержания и качества клейковины можно получить хлеб хорошего качества [180].

В 2008...2010 годы в северном Казахстане, а также в близлежащих областях Российской Федерации в летний период наблюдалась крайне засушливая погода, характеризующаяся низким уровнем осадков. Зерно, собранное в период засухи или поврежденное суховеем, имеет особенности, которые необходимо учитывать при хранении и переработке. Суховейное зерно значительно отличается по своим свойствам от того, что собрано в период стабильных температурно-влажностных условий. Мука, полученная из суховейного зерна, содержит большее количество белкового азота и клейковины, характеризуется сниженной активностью протеиназ, а клейковина обладает повышенной упругостью и малой растяжимостью. Таким образом,

муку, полученную из суховейного зерна, как правило, можно отнести к муке с пониженными хлебопекарными свойствами. Для улучшения муки можно применять различные способы: внесение пищевых добавок, хлебопекарных

уТЛТГ

улу чши ltJlCii, unujiui ичс^ли—ajviwßiimA диий!зил, фг-иппсчлилс. мыидш ичп

хлебопекарного сырья.

Поиск и применение методов улучшения хлебопекарного сырья является актуальным вопросом для отрасли хранения и переработки зерна, что ставит определенные задачи перед учёными и инженерно-техническими работниками предприятий.

Перспективным направлением в повышении качества пшеничной муки являются физические способы её обработки (ультрафиолетовое, инфракрасное излучение, обработка в поле сверхвысокой частоты и др.). Исследования по физическим способам обработки зерна и хлебопекарного сырья изложены в трудах Л.Я. Ауэрмана, A.C. Гинзбурга, Э.А. Исаковой, Т.Б. Цыгановой, Н.В. Цугленка, Г.И. Цугленок, Г.Г. Юсуповой и других авторов.

Одним из физических способов является обработка токами высокой частоты, которая нашла широкое применение в пищевой промышленности, в том числе при производстве продуктов переработки зерна. Анализ литературных источников показал, что проводились исследования воздействия СВЧ-обработки на количественные и качественные показатели нормального зерна с целью снижения его микробиологической обсемененности, поврежденного зерна (проросшего, морозобойного, поврежденного вредителями, самосогревшегося, промороженного, испорченного сушкой) с целью улучшения его качества, а также пшеничной муки для снижения микробиологической обсемененности, ускорения её созревания, улучшения хлебопекарных свойств муки со слабой клейковиной.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование влияния параметров СВЧ-обработки пшеничной муки,

полученной из суховейного зерна на её качественные показатели, что позволит выпускать продукцию требуемого качества.

Целью настоящей работы является исследование процесса СВЧ-обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна для улучшения показателей качества.

Задачи исследований:

- разработать и исследовать технологию обработки с применением СВЧ-поля на примере пшеничной муки, полученной из суховейного зерна на разработанной лабораторной установке периодического действия с СВЧ-энергоподводом;

- разработать математическую модель энергетических составляющих СВЧ-обработки пшеничной муки на установках периодического действия с СВЧ-энергоподводом;

- определить- рациональные параметры СВЧ-обработки муки, полученной из суховейного зерна с целью улучшения её показателей качества;

- обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Объект исследований. Технологический процесс сверхвысокочастотной обработки пшеничной муки первого сорта, полученной из суховейного зерна, произрастающего в засушливых регионах Республики Казахстан и Российской Федерации.

Предмет исследований. Экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров СВЧ-обработки на показатели качества пшеничной муки, полученной из суховейного зерна.

Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования.

Научная новизна. В результате работы:

- исследована и разработана технология обработки муки, полученной из суховейного зерна в поле СВЧ с целью улучшения её качества;

- разработаны математические модели частных процессов СВЧ-обработки пшеничной муки. Получены аналитические зависимости параметров для условий процесса в электромагнитном поле СВЧ;

- обоснованы, режимы работы установки с СВЧ-энергоподводом для обработки пшеничной муки, полученной из суховейного зерна в электромагнитном поле СВЧ.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

- разработана и испытана лабораторная установка периодического действия с СВЧ-энергоподводом, на основе которой может быть создана промышленная установка;

- разработан технологический процесс и получены аналитические зависимости, обеспечивающие рационализацию энергозатрат при СВЧ-обработки муки для улучшения её показателей качества;

- определены рациональные параметры СВЧ-обработки муки, полученной из суховейного зерна с целью улучшения её показателей качества.

На защиту вынесены следующие положения:

- технология обработки муки, полученной из суховейного зерна на установке с СВЧ-энергоподводом;

- механизмы обработки пшеничной муки в электромагнитном поле СВЧ и их математическое описание;

- закономерности электротермического воздействия на показатели качества пшеничной муки;

- технико-экономическая эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модель, схемы, результаты численных и

экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные

в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетных задач, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.

Макет установки периодического действия с СВЧ—энергоподводом, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Транспорта и технологических машин» (Республиканское государственное казенное предприятие «Рудненский индустриальный институт», г. Рудный, Республика Казахстан) при активном участии автора.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе основные положения работы доложены и одобрены: на научно-практических конференциях: «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2009, 2010, на VI научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2011; на международных конференциях: «Роль стратегии индустриально-информационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации. Проблемы и перспективы», Рудный, 2009; «Инновации в образовании и науке в условиях политической и экономической модернизации Казахстана», Рудный, 2011; на III этапе Евразийского экономического форума молодежи, Ижевск, 2011.

Объем и структура диссертации

Работа изложена на 154 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, в том числе 18 рисунков и 12 таблиц, общие выводы и рекомендации, список использованной литературы из 210 источников, в том числе 21 на иностранном языке и 15 приложений.

ГЛАВА 1 «СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ»

1.1 Качественные показатели пшеничной муки

Мука - продукт питания, получаемый в результате перемалывания зёрен различных культур. Мука может изготовляться из таких сортов хлебных зерновых культур как пшеница, рожь, гречка, овёс, ячмень, просо, кукуруза, рис, соя, полба и дагусса. Основную массу муки вырабатывают из пшеницы. Пшеничную муку изготовляют из мягкой пшеницы или с добавлением к ней до 20% твёрдой пшеницы (дурум), предназначенную для производства хлеба, хлебобулочных, мучных кондитерских и кулинарных изделий. Пшеничную муку в зависимости от целевого использования подразделяют на пшеничную хлебопекарную и пшеничную общего назначения [10].

Пшеничную хлебопекарную муку в зависимости от белизны или массовой доли золы, массовой доли сырой клейковины, а также крупности помола подразделяют на сорта: экстра, высший, крупчатку, первый, второй, обойную.

Пшеничную муку общего назначения в зависимости от белизны или массовой доли золы, массовой доли сырой клейковины, а также крупности помола подразделяют на типы: М 45-23; М 55-23; МК 55-23; М 75-23; М 10025; М 125-20; М 145-23. Буква «М» обозначает муку из мягкой пшеницы, буквы «МК» - муку из мягкой пшеницы крупного помола. Первые цифры обозначают наибольшую массовую долю золы в муке в пересчёте на сухое вещество в процентах, умноженное на 100, а вторые - наименьшую массовую долю сырой клейковины в муке в процентах. [42].

Особенности количественного и качественного состава муки определяют ее пищевую ценность и хлебопекарные свойства [180]. Химический состав муки зависит от состава зерна, из которого она изготовлена, и от ее сорта. Чем

выше сорт муки, тем больше в ней содержится крахмала. Содержание жира, золы, белков и других веществ с понижением сортности муки увеличивается.

Крахмал - важнейший углевод муки, содержится в виде зерен размером от 0,002 до 0,15 мм. Крупность и целость крахмальных зерен влияет на консистенцию теста, его влагоёмкость и содержание в нем сахара.

Азотистые вещества муки в основном состоя