автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.14, диссертация на тему:Исследование процесса и разработка установки для кратковременного консервирования шкур убойных животных под вакуумом

московская государственная академия прикладной биотехнологии

На правах рукописи

Сороко Олег Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО

КОНСЕРВИРОВАНИЯ ШКУР УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ ПОД ВАКУУМОМ

Специальность № 05.02.14 - машины и агрегаты

пищевой промышленности Специальность № 05.18.12 - процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре "Детали машин и теория механизмов" Московской государственной академии прикладной биотехнологии.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Якушев О.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лимонов Г.Е.

кандидат технических наук, ст.научный сотрудник Родин В.Н.

Ведущее предприятие - Областное производственное объединение мясной и молочной промышленности г.Минска.

Защита диссертации состоится " 17 и Февраля 199 а г. на заседании специализированного Совета К 063.46.03 Московской государственной академии прикладной биотехнологии 109818, г.Москва, ул.Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институ-

Автореферат разослан "^5 " ЯН£>сЗР& 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета, Венгер К.П.

д.т.н.

\

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Шкуры убойных животных по своей ценности иш народного хозяйства стоят на первом маете среди технической гродукции. Они служат единственна« источником сырья для производила натуральных кож. Диапазон использования шкур и вторичного ¡нрья достаточно широк. Кроме кож из них получают жир, белковую солбаснуго оболочку, животные корма, пищевой и технический желатин.

В настоящее время перерабатываются шкуры КРС, оленей, лоша-1ей, коз, овец, свиней и крупных морских животных.Подавляющее ко-шчаство кожевенного сырья консервируется хлоридом натрия с расхо-юм его 35-40$ от массы сырья, что приводит к значительному загрязнению сточных вод, образованию на кожевенном сырье дефектов, знижагацих качество готовых кож.

Одним из путей интенсификации производства и повышения качества кож является выработка их из парного сырья. Однако из-за раз-зородности весовых категорий сырья невозможно на большинстве мясокомбинатов своевременно скомплектовать производственные партии ю установленным разновесам. Это возможно лишь на больших мясокомбинатах, находящихся в одном городе с кожевенными заводами.

Поэтому переработка парного кожевенного сырья не нашла широкого распространения в кожевенной промышленности. Исключить про-а;есс консервирования кожевенного сырья и в будущем не представится возможным.

Краткосрочное консервирование кожевенного сырья с использованием вместо хлорида натрия других химических веществ, применение которых улучшает качество консервирования, уменьшает загрязнение сточных вод, начинает приобретать все большее значение во многих странах.

Среди факторов, оказывающих свое влияние на бактериологические и ферментативные процессы, наибольшее значение имеет фактор температуры, действие которого является наиболее важным.

Однако консервирование холодом - это процесс дорогостоящий,поскольку требует специального оборудования и больших энергозатрат.

Таким образом, задача создания эффективных устроййтв для краткосрочного консервирования кожевенного сырья без применения хлорида натрия и сантисептиков, остается актуальной. Одним из перспективных направлений является вакуумное охлаждение шкур, кото-

рое принципиально способно удовлетворить совокупность требований, предъявляемых к сырью в процессе консервирования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка нового способа краткосрочного консервирования кожевенного сырья с помощью охлавдения его под вакуумом, а также разработка установки для краткосрочного консервирования парных шкур.

Для реализации поставленной общей цели в работе решались сле-дущие задачи:

- исследование закономерностей процесса вакуумного консервирования шкур убойных животных;

- определение рациональных параметров процесса консервирования;

- исследование полей температур в толще шкуры;

- исследование изменения массы шкуры в процессе самоохлавдения и дальнейшего хранения;

- определение срока хранения консервированных шкур;

- проведение механических исследований шкур на разрыв после консервации.

Научная новизна. На основе проведенных аналитических и экспериментальных исследований:

- установлены основные закономерности вакуумного охлавдения шкур убойных животных;

- проведена математическая обработка процесса охлаждения шкур убойных животных в вакуумной камере;

- разработана методика расчета установки для вакуумного охлаждения шкур убойных животных.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований п вакуумному охлаждению шкур убойных животных:

- получены наилучшие параметры вакуумного охлавдения шкур;

- получены аналитические и эмпирические зависимости, необходимые для инженерной методики расчета процесса охлавдения шкур под вакуумом;

- разработаны исходные требования и техническое задание на про ектирование установки для вакуумного охлаждения кожевенного сырья;

- разработаны способ и конструкция установки для краткосрочного консервирования парных шкур;

- спроектирована линия для охлавдения шкур убойных животных под вакуумом;

- доказана целесообразность внедрения данной линии для консер-зирования кожевенного сырья на мясоперерабатывающих предприятиях республики Беларусь.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, включая авторские свидетельства.

Объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на [10 страницах машинописного текста, содержит II таблиц, 23 рисунка, 27 страниц приложения. Библиография включает 92 наименования ра-5от.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы.определены цель I направление исследований.

Первая глава посвящена изучению строения и состава шкур живот-зых, существующих способов и технических средств, применяемых для сон сервирования шкур убойных животных. Изучение научно-технической I патентной литературы показало, что консервирование кожевенного зырья необходимо для предупревдения автолиза и гниения животных тканей и осуществляется такими, как сушка, замораживание, примене-гае больших количеств хлорида натрия и антисептиков. На основании анализа способов и устройств для консервирования шкур выявлены не-юстатки, ограничивающие их широкое применение в производстве. Установлено, что существущие способы консервирования кожевенного зырья, применяемые в промышленности, не обладают достойной эффективностью и быстродействием, энергоемки и дорогостоящи. Показана зозмоггаость и перспективность использования вакуумного консервиро-зания, освещены теоретические основы тепло- и массопереноса во вла-тосодержащих.телах при охлаждении их в вакууме.

Анализ результатов ранее проведенных исследований вакуумного замораживания влажных материалов в работах А.С.Гинзбурга, А.В.Лыко-за, Э.И.Каухчешвили, В.И.Чернышева, В.Г.Поповского, К.П. Русановой, Э.И.Якушева, В.И.Ивашова, а также учет современных требований позволили сформулировать цели и поставить конкретные задачи по разра-5отке процесса и соответствующего оборудования для вакуумного ох-1авдения шкур убойных животных.

Во второй глава рассмотрена и проанализирована литература по

процессам охлаждения пищевых продуктов в нашей стране и за рубежом. Изучение патентной и научно-технической литературы показало, что процесс охлаждения шкур принципиально возможен: в газовой среде, в аппаратах с теплопередащей поверхностью, в вакууме.

В данной главе показано, что вакуумное охлавдение; как и др. виды испарительного охлаядения, осуществляется за счет теплоты фазового перехода. Однако для консервирования охлаждением или замораживанием в специальных холодильных установках требуются большие энергозатраты, и сам по себе данный процесс консервирования очень длителен.

Процесс вакуумного охлаждения по характеру внутреннего тепло-массопереноса начинается с периода испарения влаги преимущественно с поверхности. При создании в камере давления,соответствующего давлению насыщения пара над поверхностью продукта, испарение влаги происходит по всему объему продукта. Охлавдение и замораживание влажных материалов путем испарэния влаги в условиях вакуума получило широкую сферу применения (творог, мясной и рыбный фарш, бланшированные овощи, кулинарные изделия, бетон, песок и т.д.).

Рассмотрение теоретических основ процесса тепло- и массопере-носа во влагосодержащих телах при охлавдении их в вакууме показало возможность проведения экспериментальных исследований вакуумного охлаждения и дальнейшего хранения шкур убойных животных в специализированных вакуумизотермических контейнерах.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса краткосрочного консервирования шкур убойных животных под вакуумом. Для проведения экспериментов были созданы специальная лабораторная установка, состоящая из вакуумной камеры, системы обеспечения вакуума и комплекса приборов, регистрирующих параметры процесса с требуемой степенью точности, а также вакуумизотермический контейнер.

Исследования по охлаждению шкур КРС и свиней проводились при начальной температуре образцов в пределах от 20° до 24°С, что соответствует температуре шкуры после выхода из мездрильной машины.

В процессе охлаждения фиксировалось изменение температуры в толще шкуры с помощью хромель-копелевых термопар толщиной 2х

10 м, введенных в медицинские иглы. В шкуру вводилось 3 термопары (одна на поверхности, а две в ее толщу). После фиксирования термопар шкура закладывалась в вакуумную камеру на сетчатый под-

[он. В первом случае шкуру клади в развернутом состоянии мездрой зверх (рис.1;5), во втором - накладывали шкуру одна на другую(рис. >), в третьем - шкуру складывали мездрой наружу (рис.3), в четвергом - шкуру складывали мездрой внутрь (рис.4). Запиоь показания термопар осуществлялась на шеститочечном электрическом потенцио-летре-самописце типа КСП-4.

Параметры снимались с промежутком 20 секунд. С каждой группой кожевенного сырья при определенных параметрах эксперимент ставится пять раз. Образцы шкур хранились в вакууммизотармическом контейнере 12 суток.

Исследование изменения массы шкуры в процессе вакуумного самоохлаждения и хранения проводилось путем взвешивания шкур до и после охлаждения и хранения на весах типа ША-200М.

Испытание шкур на прочность при разрыве производилось на специальной разрывной машине типа 52-5-1 на кафедре "Сопротивление материалов и металлов" МИПБ.

Результаты экспериментальных исследований. В результате экспериментов по охлаждению пкур убойных животных в условиях вакуума были получены термограммы процесса. На данных термограммах можно проанализировать специфику механизма йроцесса вакуумного охлаждения шкур.

На рио.1 представлены.термограммы, полученные при охлаждении шкур крупного рогатого скота в развернутом виде с толщиной охлаждаемого слоя 5 мм. Установка термопар показана на схеме рис.1.

Термограммы свидетельствуют о наличии трех явно выраженных периодах. На первом этапе - периоде достижение исходных параметров процесса (участок 1_П) - прослеживается изменение температуры шкуры с низкой скоростью. Второй этап характеризуется резким изменением крутизны кривых. Он наступает после того, как давление в камере уменьшается до величины, равной давлению насыщения насыщенных паров влаги над поверхностью шкуры (участок П-Ш). Второй этап изменения температуры характеризуется максимальными скороотями охлаждения. Этому этапу соответствуют участки с наибольшей крутизной. Третьему периоду (участок Ш-1У) соответствует уменьшение скорости охлаждения и снижение крутизны кривых.

Период охлаждения характеризуется стабилизацией температурного градиента (отношение разности температур на поверхности и в центре шкуры к начальной толщине), величина которого сохраняется практически неизменной до начала кристаллизации влаги.

Криьыэ кинетики охлаждения шкуры крупного рогатого скота пол вакуумом Ркон=460 Па (+нвп=-3.3°С); 5^6 мм; дМ=3.9°/0 +,°0 (Мн=Ш гя; М"к = Щ1п?) М.гр; РкПа

О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 180 200 220 Т, СОК

Схема установки термопар в шкуру

з

1

Эмпирические коэффициенты 1 2 3

А 106 4.05 1.16

8 0.0 21 0.021 0.024

с 1.199 0.996 2.6*10"

Рис.1

Кривые кинетики вакуумного охлаждения шкур крупного рогатого скота (шкуры налажены одна на другую) Ркон=360 Па(+нвп=-6.д°С); ?=5мм; лЛ/Ы.3% ГС Мн = 280.2 гр.; Мк=268.2 гр.) Мгр.;№

О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 180 200 220 с0к

Схема установки термопар в шкуры

" _±_ 2- з

; ' I...........I

I > ' > / / > ) > / I > I I г / > / > / , , , ,, I

Эмпиричаскив козФФиииэнты

1 2 5

0.99 1.04 Ш

0.01 0.00? оолл

0.55 0.06? -0.474

Рис. 2

Кривые кинетики вакуумного охлаждения шкуры крупного рогатого скота, сложенной мездрой наружу

А 1 2 3

1.06 аэ4

6 0.01 0.01 0.02

с 0.63 п „ 0.40 -0.15

Рис.3

Кривые кинетики вакуумного охлаждения шкуры крупного рогатого скота, сложенной мездрой внутрь Ргаи=2А0Па,(Ьбп=-д.до0); 6=5мм; лМ=З.А% I. "С Мн=576,3 гр; ; Мк=363.9 п?) М, гр. ; Р, кПа

~1-1-1-г

заоо

О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 1Е0 200 220.ТГ,

Схема уста

новкмтермопар в шкуру 1

сек

/ / ,/, г /

У Л( { ** //У / /

Эмпирические коэффициенты

1 & 3

А 1.29 132 2.29

б (10 2 0.02 0.04

с 0.02 „ 0.02 -0.3

Рис. 4

Кривые кинетики охлаждения свиной шкуры под. вашим

Схел\а установки терллоп&р Ь ШКУРУ

^ 2 3

/ / / / ; / / / у ;-гг;/7Т7т

Змпмрич8сжи9 коэффициенты

1 2 3

А 1.12 1.19 175

а 0.0 и 0.019 0.027

с 0.609 0 258 -0.32

Рис.5

Эмпирическую зависимость температурного градиента от толщины слоя шкуры Н можно описать в следующем виде:

Jlff =с/АН 8 , °С/мм

где А ,8 - пЬстоянныэ коэффициенты, зависящие от толщины шкуры и рода сырья. Изменение начальной температуры охлаждаемого объекта (в пределах 20+24°С) существенного влияния на величину температурного градиента не оказывало.

Анализ кривых кинетики охлаждения шкур показал, что кривые независимо от толщины и вида шкуры, имеют одинаковый характер. После возникновения процесса кипения температура поверхности шкуры зависит только от скорости изменения общего давления и не зависит от начальной температуры (рис.2,3,4). Для шкур крупного рогатого скота температурный градиент колеблется в интервале от 0,48°С/мм до 0,66°С/мм. Для свиных шкур температурный градиент изменялся от 0,83°С/мм до 1,5°С/мм. ПрИ сложении шкуры крупного рогатого скота волосяным покровом наружу температурный градиент снижался до

0,3°С/мм (рис.4). Это объясняется тем, что с волосяного покрова шкуры хуже испаряется влага и за счет этого снижается интенсивность процесса охлаждения. Поэтому не рекомендуется охлаждать шкуры, сложенные мездрай внутрь.

Таким образом, зная величину температурного градиента в слое и зависимость, описывапцую его изменение, можно произвести аналитические расчеты продолжительности охлаждения до заданной конечной температуры.

Температуру поверхности охлаждаемого объекта можно определить по формуле, предложенной Б.И.Ивашовым или по скорости откачки системы и формуле Г.К.Филоненко, связывающей давление насыщения и общее давление в системе.

В этом-случае локальная температура в любой точке материала будет равна:

t(x,x)=tn(-r)+%-x

где Гп(тг) - изменение температуры поверхностного слоя, °С;

- температурный градиент, °С/мм;

X - толщина слоя объекта, мм.

Кривые, изображенные на рис.1,2,3,4,5, по своему характеру аналогичны. Поэтому обработка экспериментальных данных на IEM PC/AT 286

(программный пакет Б^Ша версия 4.0.) позволила получить эмпирическую зависимость кинетики процеоа охлаждения шкур убойных животных. При изменении давления в вакуумной камере по закону:

Р('с)=Роехр[тЛ10"4-^х1]

где Ро - атмосферное давление, кПа;

р - постоянный коэффициент, р- 0,15;

■Ц - время достижения РК0Й в камере, сек.

Температура охлаждения шкуры, как на поверхности, так и внутри, изменяется по следующему закону:

•ь=А-• ехр [к-с6 Г ] - с 1ньп

где А,8,С - эмпирические коэффициенты, зависящие от вида шкуры и толщины слоя, в котором измерялась температура; - начальная температура шкуры, °С;

X" - время охлаждения, сек;

К — постоянный коэффициент (К = ПГ5);

"Ншп~ температура насыденного водяного пара над шкурой при установившемся разряжении.в вакуумной камере, °С.

Как показали экспериментальные исследования, для охлаждения шкуры с начальной температурой 20+24°С до 0+3°С требуется удалить из нее 3+5$ влаги от общего веса.

Анализ представленных термограмм (рис.1,2,3,4,5)паказал, что на темп охлаждения оказывает влияние как толщина исследуемого объекта, так и конечное остаточное давление в рабочей зоне. С умень- . шением остаточного давления.возрастает темп снижения температуры. Увеличение толщины исследуемого объекта при складывании или при наложении их друг на друга сказывается на темпе снижения температуры во внутренних слоях.

Органолептическая оценка показала, что кожевенное сырье после 12 суток хранения в вакуумизотермическсы контейнере находится в зорошем состоянии, не слизистое пороков консервирования.Экспертиза кожевенного сырья проводилась сотрудниками научно-производственного объединения Центрального НИИ кожевенно-обувной промышленности. Сырье пригодно к дальнейшей переработке.

Механические исследования образцов шкур на разрыв после расконсервации дала следующие результаты.

ттяимйнппянио Номер Лдина Ширина Толщина Усилие Продел Удлинение

образца п£у- — g® Sffi) °£Г Ч§Г8 3°К°" вМГРЫ~

* растяже-_нии(МПа)_

Шкуры крупно- I 100 25 5 3500 28,3 98

го рогатого 2 100 25 4,5 2920 26,0 97

скота 3 100 25 4 2370 23 7 » 82

Свиные шкуры I 100 20 3 670 11,2 78

2 100 20 3 780 13,0 81

3 100 20 3 700 Н,7 73

В четвертой главе приведены сведения о практическом использовании результатов исследований. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по охлавдению и хранению шкур убойных животных в вакууме показали возможность использования данного способа для краткосрочного консервирования шкур. Внедрение данного способа консервирования позволит повысить качество продукции, сократить продолжительность технологического процесса, повысить производительность труда. Процесс охлаждения происходит по всему объему при отсутствии контакта с кислородом воздуха, что сокращает возможность обсеменения парной шкуры.

По результатам экспериментальных исследований была разработана инженерная методика расчета установки для краткосрочного консервирования шкур убойных животных под вакуумом, спроектирована опытно-промышленная установка производительностью 180 шт/ч для шкур крупного рогатого скота и 360 шт/ч для свиных шкур.В настоящее время установка изготовлена и подготовлена к испытаниям на мясокомбинате областного производственного объединения мясной и молочной промышленности г.Минска.

На кафедре "Детали машин и теория механизмов" Московской государственной академии прикладной биотехнологии спроектирована автоматическая линия вакуумного охлаждения кожевенного сырья. Вся линия работает без участия человека в технологических операциях (консервирование, транспортировка и т.п.). В предлагаемом способе краткосрочного консервирования шкуры после мездрения и удаления навала на мездрильной машине ММГ-3200-1-1-К манипуляторами укладываются в контейнер с последующей установкой его в вакуумную камеру. Загрузка и выгрузка контейнера производится с помощью роботов (рис.6).

Разгрузка охлавденного сырья осуществляется также манипуляторами.

ОСНОЕНШ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментальные исследования показали перспективность краткосрочного консервирования шкур убойных животных под вакуумом.

2. Определены рациональные параметры процесса охлаждения шкур убойных животных в вакууме. Показана перспективность данного процесса по сравнению с традиционными способами охлаждения.

3. Б результате аналитических и экспериментальных исследований получена закономерность, характеризующая кинетику процесса охлаждения парных шкур. На основе этой закономерности предложена инженерная методика расчета процесса и конструирования соответствующей установки.

4. Экспериментальные исследования свойств шкур убойных животных, консервированных в вакууме показали следующие преимущества перед традиционными способами консервирования:

- полная ликвидация применения поваренной соли и антисептиков;

- сокращение трудоемкости обработки шкур;

- средняя продолжительность процесса консервирования не превышает 5 минут;

- снижение себестоимости обработки шкур;

- уменьшение потребности в производственных площадях;

- повышение качества шкур;

- исключение процесса расконсервирования сырья на предприятиях легкой промышленности.

5. Разработана и передана промышленности для внедрения конструкция установки для вакуумного консервирования шкур убойных животных производительностью 180 шт/ч для шкур крупного рогатого скота и 360 шт/ч для свиных шкур.

6. Получен акт экспертизы, проведенной в НПО ЦНИИКОП, о состоянии кожевенного сырья, законсервированного посредством охлаждения в вакуумном изотермическом контейнере.

7. Спроектирована автоматизированная линия консервирования шкур убойных животных.

8. Расчет экономической эффективности показал целесообразность создания и внедрения соответствующих конструкций вакуумного оборудования для краткосрочного консервирования шкур.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы:

1. Полож. решение по з. 4888045/13 М. Кл. А23В 4/06 Устройство для охлаждения. Дата полож. решения 31.01.92.

2. Полож. решение по з. й 4899805/13 М. Кл. А23В 4/06 Устройство для замораживания мелкоштучных продуктов. Дата полож. решения 31.07.91.

3. Полож. решение по з. № 4902883/13 М. Кл. A2IC 9/06 Способ производства изделий из теста с начинкой. Дата полож. решения 30.10.91.

4. Сороко 0.1., Якушев О.И. Перспективные направления консервирования парных шкур//Научно-технический информационный сборник. Передовой научно-производственный опыт, рекомендуемый для внедрения. - М. : АгроНИИТЭШМП. Сер. Мясная прсмынденность. - 1991 г. -Вып.8. - С.24-27.

Тира» 100 - 1,0 п.л. - 1,04 уч.-изд.л.

Заказ 7

Формат 60x84Д6

Предприятие "Полиграфсервис" 109316, г.Москва, ул.Талалихина, 26