автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование процессов концентрирования и ультрапастеризации соков методом прямого электронагрева

На правах рукописи

ТИХОНОВ Николай Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И УЛЬТРАПАСТЕРИЗАЦИИ СОКОВ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА

05.18.12 —Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 2013

Кемерово - 2013

005538884

005538884

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО КемТИПП)

Научный руководитель: Попов Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Руднев Сергей Дмитриевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», и.о. заведующего кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств»

Полтавцев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский сельскохозяйственный институт», профессор кафедры «Общенаучные дисциплины»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г.Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ги/ги/'dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.rii).

Автореферат разослан « » ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы активно развивается применение в пищевых технологиях электрического тока непосредственно для обработки сырья и продуктов, а именно: электрогидравлический шок, электропорация (разрушение клеточных мембран) и нагрев за счет джо-улевой теплоты - прямой электронагрев (омический нагрев).

Такие способы воздействия на пищевое сырьё, в некоторых случаях, особенно когда энергоносителем выступает электроэнергия, могут заменить традиционный нагрев за счет теплопроводности, конвекции и излучения, поскольку генерирование теплоты здесь происходит в самом продукте, что позволяет существенно повысить энергоэффективность производственных процессов.

Преимущество прямого электронагрева в сравнении с традиционным нагревом: быстрый и однородный нагрев, более высокая степень стерилизации при более низких температурах обработки, более высокое качество продукции, возможность обработки продукта с высоким содержанием твердых составляющих, непрерывность производственного процесса и надежный контроль его параметров.

Расчёт малогабаритного аппарата, подбор материалов электродов для концентрирования пищевых жидкостей, расчет оптимальных режимов эксплуатации является актуальной задачей в силу отсутствия единой схемы расчетов подобных аппаратов, отсутствия на рынке малогабаритных аппаратов серийного отечественного производства для обработки пищевых продуктов.

Степень разработанности темы. Проблемой теории и практики выпарных аппаратов, основанных на греющих камерах электродного типа занимались такие известные ученые как Пищулин В.П., Косинцев В.И., Лотов В.А., Москвин Л.Н., Пьянков А.Г. и др. (СССР). На основании их исследований были созданы методические указания для учебного процесса по курсу «Процессы и аппараты химических производств», разработаны методики расчета аппаратов электродного типа, определены основные физико-химические характеристики процесса прямого электронагрева. Однако их исследования относились к области неорганической химии и соединений. В направлении использования прямого электронагрева для обработки пищевых жидкостей известны работы Гетчела Б.Е. как одни из самых ранних работ по адаптации греющих камер электродного типа для пищевой промышленности. Непосредственно на обработке и ультрапастеризации пищевых продуктов специализировались такие ученые как Шастри С.К., Смит П., Де Альвис и др., а так же научные коллективы системы университетов Миннесоты (США), машиностроительного факультета Пражского чешского технического университета (Чехия), агрокультурного центрального университета штата Луизиана (США). Их разработки легли в основу формирования задач исследований данной диссертации, выбора объектов исследования и разра-

ботки аппарата прямого электронагрева (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013).

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса концентрирования пищевых продуктов с использованием прямого электронагрева и разработка на этой основе методики расчета и создание аппарата прямого электронагрева.

Задачи исследований:

• Классифицировать методы концентрирования соков с позиции эффективности на основании литературного обзора применяемых методов по экономическим и технологическим параметрам. Определить факторы, оказывающие влияние на интенсификацию методов.

• Определить важнейшие факторы, оказывающие влияние на интенсификацию тепломассообменных процессов в разрабатываемом аппарате прямого электронагрева, включая электропроводность пищевых растворов, вольтамперные характеристики системы, удельную мощность греющей камеры электродного типа, ее конструктивное оформление.

• Аналитически и экспериментально исследовать физико-химические процессы, возникающие при омическом нагреве жидкостей в аппаратах электродного типа, и их влияние на получаемый продукт.

• Построить математическую модель процесса омического нагрева, на основе анализа, существующих математических описаний аналогичных процессов.

• Разработать методику расчёта технологических и конструктивных параметров аппаратов омического нагрева соков.

• Экспериментально исследовать влияние обработки пищевых жидкостей в разработанном омическом вакуум-выпарном аппарате экстракторе на их органолептические, физические и химические характеристики.

Научная новизна заключается в следующем:

• Установлена зависимость электропроводности, как основного параметра процесса омического нагрева, от концентрации упариваемого сока и от температуры для яблочного, облепихового, черносмородинового, рябинового соков.

• Получена зависимость электропроводности от общей кислотности соков.

• Определена зависимость удельной подводимой мощности при прямом электронагреве от концентрации сухого вещества, не приводящая к увеличению объёма пены при кипении яблочного сока под атмосферным давлением, для заданной поверхности испарения.

• Построена математическая модель процесса омического нагрева плодово-ягодных соков.

• Разработана методика расчета аппаратов с рабочим объемом от 1 л до 100 л электродного типа, непрерывного действия с плоскопараллельным расположением электродов для концентрирования плодово-ягодных соков омическим нагревом.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

• Экспериментально определена взаимосвязь электропроводности соков с их физическими характеристиками.

• Получена эмпирическая зависимость удельной мощности греющей камеры от концентрации для яблочного сока, позволяющая контролировать пенообразование.

• Предложено математическое описание процессов прямого электронагрева, учитывающее влияние конвекции на температурный профиль.

Практическая значимость состоит в том, что:

• Изучена коррозионная стойкость нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в среде плодово-ягодных соков на примере яблочного и даны рекомендации по ее применению в качестве электродов.

• Доказано параллельное асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт в процессе нагрева, даны рекомендации по использованию асептического влияния в процессе производства.

• Разработана схема расчета малогабаритного аппарата прямого электронагрева непрерывного/периодического действия для исследования процессов нагревания, выпаривания и асептической обработки пищевых растворов различного состава.

• Для повышения эффективности и оптимизации размеров греющих камер электродного типа предложена оригинальная конструкция, содержащая перегородки, выполняющие функции гасителей воронки при перемешивании и электродов одновременно, на которую подана заявка на патент (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013). Эта конструкция позволяет минимизировать пенообразование, а за счет наличия нескольких электродных пар увеличить интенсивность процесса.

• На основании разработанной схемы расчета аппарат прямого электронагрева и оригинальной конструкции, описанной в заявке на патент, создан рабочий аппарат объемом 100 л и внедрен в производство на ООО НПО «Здоровое питание» (акт внедрения), где в ходе серии испытаний доказана его эффективность и адекватность теоретических положений работы, выносимых на защиту.

Личный вклад автора. Автору принадлежит основная роль в постановке задачи, планировании и проведении исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные исследования проведены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, личных вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования.

Апробация работы. XIV Всероссийская научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2013) и на расширенном заседании кафедры «Общей химической технологии», ИПР НИ ТПУ» (Томск, 2013).

Научные положения, выноснмые на защиту:

• Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию интенсифицирующего воздействия прямого электрического нагрева на процессы концентрирования пищевых жидкостей в диапазоне изменения их электропроводности на примере плодово-ягодных соков яблока, черной смородины, облепихи и красной рябины.

• Экспериментальные данные, физико-математическую модель и методику расчета омического вакуум-выпарного аппарата-концентратора.

• Исследования и выбор конструкционных материалов корпуса аппарата, материалов электродов для сред в условиях наложенного переменного электрического тока частотой 50 Гц.

• Аппаратурно-технологическое оформление процесса омического нагрева плодово-ягодных растворов в условиях малотоннажных производств.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, перечня использованной литературы из 82 наименований. Основной текст изложен на 104 страницах. Диссертация содержит 8 таблиц и 21 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и ее практическая значимость, направленная на создание схемы расчета малогабаритных выпарных аппаратов омического типа для пищевой промышленности.

В первой главе рассмотрены основные методы концентрирования пищевых жидкостей, применяемые в производстве на данный момент. Проведена классификация методов по способу концентрирования продукта, рассмотрено аппаратное оформление процессов, проведён анализ использования различных схем и конструкций электродных групп. Проанализированы способы интенсификации каждого метода концентрирования, приведены способы борьбы с основными проблемами обработки пищевых жидкостей, такими как ка-рамелизация и пенообразование. Изучен вопрос асептического действия электрического тока. На основании литературного обзора обоснована перспективность омического нагрева для обработки пищевых продуктов, поставлена цель, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе исследовалась эффективность применения тока как источника нагрева, его интенсифицирующее воздействие в гетерогенных системах. Доказано его асептическое влияние на обрабатываемый продукт, экспериментально определена зависимость электропроводности соков от концентрации, выявлена закономерность ценообразования, аргументирована экономическая выгода омического выпаривания.

Асептическое воздействие исследовалось по ГОСТ 30425-97 «Методы определения промышленной стерильности» на лабораторной установке оригинальной конструкции. Эксперименты проводились на водном растворе диффузионного свекольного сока (отвара), полученном в лабораторных условиях из столовой свеклы сорта «Бордо 237». Исходные данные сока представлены в таблице 1, результаты микробиологических исследований полученного концентрата представлены в таблице 2.

Согласно результатам анализа по ГОСТ 30425-97 после омического выпаривания сока в изолированном нагревателе не обнаружено молочнокислых организмов и плесневых грибов. В неизолированном нагревателе молочнокислые организмы также отсутствуют, а содержание плесневых грибов не превышает 1 КОЕ на 1 мл, что можно отнести к погрешностям эксперимента.

Полученные результаты подтвердили асептическое влияние тока на обрабатываемый продукт, а также позволили выработать рекомендации по технологическому оформлению процесса омической обработки пищевых жидкостей. А именно проводить обработку в изолированном аппарате и сразу разливать полученный продукт в асептически обработанную тару.

Для установления асептического влияния переменного тока на раствор была сконструирована установка, схематичное изображение которой представлено на рисунке 1. Емкость (1), установленная на контрольно-измерительные весы, имеет градуировку объемом 5 литров и снабжена крышкой (2) с уплотнением. В угловой части крышки установлен клапан (4) для сброса водяного пара и термометр (5). В центральной части установлена плоскопараллельная пара электродов (3), подключенных к источнику энергии через контрольно-измерительный стенд (6). Через стенд подавалось напряжение и контролировались вольтамперные характеристики процесса. Вся установка была размещена в химическом шкафу, оснащенным вытяжкой и бактерицидными лампами. Лабораторная установка является емкостью открытого типа периодического действия.

Рисунок 1 - Лабораторная установка

Таблица 1 - Характеристики исследуемого свекольного сока

Наименование Концентрация су-, хих веществ, по щкале ВЮХ Температура экстракции исходного сока, °С Дрожжи, КОЕ/мл Плесневые грибы, КОЕ/мл

Свекольный сок, полученный экстракцией 1,34 50-55 133 12

Таблица 2 - Результаты микробиологических исследований свекольного сока

по ГОСТ 30425-97

Материал Дрожжи, КОЕ/мл Плесневые грибы, КОЕ/мл

Концентрат, полученный в контакте с окр.средой 0 1

Концентрат, полученный в герметичных условиях 0 0

Поскольку процесс омического выпаривания проводится под вакуумом, то для данного процесса является проблематичным контроль содержания сухих веществ в выпариваемом соке, т.к. регулярный отбор проб сопряжен с разрежением в процессе отбора или существенно усложняет конструкцию аппарата. Были проведены исследования с использованием яблочного сока, сока красной рябины, черной смородины и облепихи, доказывающие взаимосвязь удельной электропроводности разбавленного сока с его концентрацией, согласно эмпирической формуле Кольрауша:

О)

Использовался кондуктометрический метод анализа. Результаты исследований представлены на рисунках 2-3.

Также учитывалось, что для малых концентраций эквивалентная электропроводность сильного электролита равна:

Я = (2)

А для более высоких концентраций:

(3)

Зависимость электропроводности от концентрации носит хорошо выраженный экстремальный характер. Для исследованных соков область экстремума располагается в интервале 25...30 % содержания сухих веществ во всём интервале исследованных температур, с незначительным смещением экстремума в направлении увеличения содержания сухих веществ с ростом температуры (рисунок 2).

Зависимость электропроводности для всех соков от температуры в исследованном интервале содержания сухих веществ носит преимущественно монотонно возрастающий характер (рисунок 3).

Расположение соков по электропроводности хорошо коррелируется с общей кислотностью соков (таблица 3), что особенно хорошо проявляется в области экстремума электропроводности:

Таблица 3 - Расположение соков по кислотности в области экстремума электропроводности

Общая кислотность, Электропроводность, См (при

Наименование сока % (при содержании содержании сухих веществ - 25%

сухих веществ - 25%) и 20°С)

Черносмородиновый 5,9±0,1 18,8

Красной рябины 4,2±0,1 14

Облепиховый 3,2±0,1 13,8

Яблочный 1,8±0,1 9,2

На основании чего сделан вывод о том, что кислотность вносит определяющий вклад в электропроводность сока. Зависимость носит линейный характер и может быть описана (с И2=0,98) линейным уравнением вида:

^ = -2,214+0,43*: (4)

где: х -электропроводность сока в См, К- общая кислотность сока в %.

В области высоких концентраций, в которых предположительно будут работать выпарные аппараты непрерывного действия, электропроводность имеет близкие значения для всех видов сока. Вероятно, это связано с тем, что при концентрировании снижается количество свободных подвижных ионов в соке и определяет электропроводимость в большей мере наличие воды.

В работе были проведены исследования влияния удельной мощности на гидродинамику работы аппарата и была получена зависимость подводимой к выпариваемому раствору мощности, от содержания сухих веществ, при которых происходит интенсивное кипение сока, но скорость образования пены не превышает скорости её разрушения. Т.е. режим, когда аппарат не «захлёбывается» пеной.

Рисунок 2 - Зависимость электропроводности от содержания сухих веществ в соке при

И20-70 °С

X, Зависимость-/ от 1 при Си концентрации.с

Зависимость х от I при /, ! концентрации сухих Сч 5 20%

и "с

-Зависимостьхрт I при-концентраций сухихп "■вещеЬтв 5.0%

I, "С

у,.......—Зависимость х от г при у,

См : концентратш сузд^ Си I ! [-веществ.

- Зависимость х от4 прм .^.концентрации. су, .ведес

Г, "С

Рисунок 3 - Зависимость электропроводности от температуры при концентрации сухих веществ 10-50%

Третья глава посвящена разработке математической модели для описания процесса омического нагрева жидкостей. Проведён анализ двух основных математических моделей, применяемых в расчётах.

Модель Де Альвиса и Фрайера использует решение уравнения Лапласа для того чтобы рассчитать темп генерации тепла вместе с переходными уравнениями энергетического баланса, чтобы смоделировать самостоятельную макрочастицу, погруженную в жидкую среду без конвекции. Будучи дополненной, модель позволяет включить в описание несколько макрочастиц, равномерно распределенных на решетке в потоке не конвективной жидкости. Модель представляет собой систему уравнений:

У(<т.УК) = 0

I Р' а

-к.„ЧТ- п = и(Т.„-Т ) и ¿5 со

иЧ^Г^О+и/)

(5)

(6)

(7)

(8)

Данная система может быть решена с помощью алгоритма пространственно-гибридных конечных элементов конечно-разностной схемы Галенкина-Кранка-Никольсона.

Модель Шастри-Паланиаэппэна использует круговую аналоговую схему (рису-нок4) чтобы аппроксимировать электрическую проводимость и получить формулу выделения тепла для статического нагревателя с частицей, погруженной в хорошо перемешиваемую жидкость (принятие допущения о бесконечной конвективной теплопередаче в пределах жидкости).

ГЪ>

Рисунок 4 - Круговая аналоговая схема для модели Шастри-Паланиаэппэна Модель представляет собой следующую систему уравнений:

Я , Л

¡г = Я,. 1Р 1р (9)

№ £2 Л к '

/Р

VК = — или у К = — и / = — (10)

ь ь Я

_

М,с ,—¿ = ы/и, + и И, А (Г_ -ТЛ-ЦА СГ,-Г ) (11)

/ р/ л -1 / р /р р ¿Ян / » / ®

Ъ/ЦЧУро^Ъ+т^Г) (12)

¿Т

^гр+^с^ (13)

й/=\^\2а0/(\+тТ5) (14)

-ЮТ-И^И^-Тр (15)

Эта система уравнений может быть решена методом конечных разностей для жидкой фазы, и методом Галеркина-Кранка-Николсона для твердой фазы.

Данные модели при имеющихся в них допущениях обладают существенным изъяном. Любые низкотемпературные области будут увеличивать общее время процесса, что вызовет избыточный перегрев других областей продукта. Таким образом, определено, что для математического описания омического нагрева требуется более подробная математи-

ческая модель, учитывающая конвекцию, чтобы составить более точный температурный профиль.

На основании анализа выше представленных моделей предложена своя модель, адаптированная к вновь разработанному аппарату и специфике перерабатываемых жидкостей, с учетом допущения, что разрабатываемый аппарат является реактором идеального смешения. За скорость реакции в типовой модели для рассматриваемого случая взята скорость испарения влаги и, таким образом, скорость изменения концентрации запишется так:

^ = + (16) с/г Ур

При установившемся режиме работы реактора, который характеризуется соблюдением условия —- = О, уравнение (16) можно записать так: с

= ^ (17)

'г

Уравнение (17) является статической моделью аппарата идеального смешения в общем виде (по испаряемой влаге).

Для учета теплового режима в аппарате идеального смешения используется уравнение:

^ (18) ах

В случае достаточной изоляции корпуса аппарата от внешней среды выражением лзсг-г^) можно пренебречь. Используя выражение (8) удельная внутренняя скорость гене-

рации энергии для жидкой фазы иж в нашем случае рассчитывается как:

и2

иж=-£ ■*>(! + №) (19)

Для установившегося режима при условии равенства скорости входящего потока скорости выходящего потока и0 = и, отсутствии теплопотерь в окружающую среду и незначительного изменения теплоемкости при значительном изменении плотности (при обработке жидких фаз) уравнение (18) примет вид:

У{,РдСроТцх _-р ч | иж (20)

У УрСр УрС, УрС,,

Полученная система уравнений, с учетом конвективной составляю-щейУ-П-(ТСР — Твх) является математической моделью для АЭТ, разрабатываемой по результатам данной научной работы. На практике достоверность полученной модели составила около 92% по результатам аппроксимации опытных данных.

Четвертая глава рассмотрены вопросы проектирования омического выпарного аппарата. Предложена методика расчёта выпарной камеры. Приведены результаты исследований по выбору материала и геометрии электродной группы греющей камеры. Показана возможность применения нержавеющей стали в качестве материала для электродов, на основании исследований коррозионной стойкости в среде плодово-ягодных соков. Расчет такого аппарата заключается в подтверждении, выборе соответствующей геометрии на основании исследования характеристик электродной группы. Остальные элементы конструкции выбираются из типовых вариантов, использующихся при проектировании выпарных аппаратов. Нестандартные элементы рассчитываются индивидуально в зависимости от выбранных размеров электродов в каждом конкретном случае.

Для корпуса аппарата были выбраны отградуированная пластиковая или металлическая эмалированная емкость, отбортованное пластиковое или металлическое эллиптическое днище и отбортованная пластиковая или металлическая эмалированная крышка (рисунок 5).

Исследования коррозионной стойкости нержавеющей стали в качестве материала для электродов проводились в среде яблочного сока разной концентрации методом потен-циодинамической реактивации согласно ГОСТ 9.914-91 показали, что нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т является совершенно стойкой, согласно десятибалльной шкале коррозионной стойкости по ГОСТ 9.908-85. Результаты исследований представлены в таблице 4 и на рисунке 6 (для концентрированного сока):

Таблица 4 - Результаты исследований коррозионной стойкости стали марки 12Х18Н10Т

Степень разведения сока Потенциал коррозии, В /VI О"10, А/м2 г/м2ч /но-10, мм/год

1:9 -0,1 -5,5 3,16 3,07 346,3

1:1 -0,21 -5,2 6,31 6,12 690,3

Концентрат -0,25 -5,2 6,31 6,12 690,3

Выбор плоскопараллельной геометрии электродной группы основан на соображении, что в случае плоскопараллельного размещения электродов не нужно учитывать размеры греющей камеры, т.к. корпус не является одним из электродов. Важным преимуществом такой схемы размещения является отсутствие неравномерного распределения плотности тока по поверхности электродов и коррозии электродов в областях соприкосновения с изоляторами, как в случае коаксиального размещения, а также незначительное влияние объёма бака на электропроводимость.

1

| \ 9

Комиемгриродетмя} продукт

Рисунок 5 - Омический вакуум- Рисунок 6 - Поляризационные кривые яблочного выпарной аппарат-концентратор: концентрата.

1 - отградуированная емкость; 2 — эллиптическое днище; 3 — эллиптическая крышка; 4 — отражательные перегородки-электроды; 5 - решетка-держатель; 6 - решетка для крепления контактов; 8 - центральный осевой вал; 9, 10 - штуцер

Основными исследуемыми характеристиками греющей камеры с данной геометрией были межэлектродное расстояние и его влияние на характер течения процесса выпаривания, а также взаимосвязь межэлектродного расстояния с размером электродов.

Экспериментально доказано, что с увеличением расстояния между электродами <5 (при отсутствии корректировки параметров извне) увеличивается сопротивление в системе, падает сила тока, снижается общая мощность системы. Зависимость характеристик системы от расстояния между электродами <5 представлена формулами (22, 24, 25).

Экспериментально не найдено универсального коэффициента, позволяющего устанавливать прямую взаимосвязь между межэлектродным расстоянием и размерами греющей камеры, однако была подтверждена взаимосвязь рабочей поверхности электродов с расстоянием между электродами (26), определенная В.П. Пищулиным, и ее актуальность для омического нагрева пищевых жидкостей.

Методика расчета плоскопараллельной греющей камеры состоит из нескольких этапов, на каждом из которых определяется какой-либо ее параметр.

1. Имея заданную производительность выпарного аппарата находится рабочее количество тепла, необходимое для испарения нужного количества влаги IV:

(21)

2. С учетом экспериментально определяемых параметров рассчитывается рабочее сопротивление системы «электрод — раствор — электрод», которое складывается из сопротивления раствора, сопротивления электродов и двух сопротивлений на границе «раствор -электрод»:

{22)

Х-пт-д „.т.32

3. Подставляя полученные значения рабочего сопротивления системы Б. и рабочего количества тепла Орасч в закон Джоуля-Ленца находим значение рабочего напряжения в системе через величину силы тока:

' = (23)

/ О-рлсч. \k-R-T

и = ~| (24)

4. Далее рассчитывается рабочая мощность системы:

= = + (25)

5. Необходимая для расчетов величина расстояния между электродами 6 определяется на основании выбранной конструктивно или заданной рабочей поверхности электродов по формуле:

F = n•w¡•<52 (26)

где п — коэффициент соотношения ширины электрода и расстояния между электродами; т — коэффициент соотношения длины/высоты электрода и расстояния между электродами.

Удельное граничное сопротивление удельная электропроводность раствора х являются справочными значениями.

Коэффициент газонаполнения, равный отношению удельных сопротивлений электролита (сока) без газа и с газом, который появляется на электродах при достижении раствором точки кипения, рассчитывается экспериментально для каждого раствора. При проектировании, ориентируясь на яблочный сок, рекомендованное значение Кг = 0,9.

По формуле (27) вычисляется значение удельной мощности Ыув кВт/м2, при котором не увеличивается ценообразование (для яблочного сока а=89,8б; Ь=-3,42; с=-0,58):

Ыу=а{тк-Ь)с (27)

6. Рассчитывается площадь поверхность испарения & по формуле:

(28)

7. Производится пересчёт площади поверхности Би на диаметр круга, имеющего такую площадь, и диаметр округляется до ближайшего диаметра из ряда диаметров принятых в химическом машиностроении.

После прохождения всех этапов расчета становятся известны все ключевые технические параметры аппарата.

В пятой главе рассмотрен процесс омического выпаривания на изготовленном образце аппарата на примере яблочного сока. Для изучения влияния прямого электронагрева на состав соков, были проведены сравнительные исследования, состоящие в том, что был получен и проанализирован свежевыжатый яблочный сок, подвергнутый затем концентрированию под разряжением, обеспечивающим температуру кипения 58...65°С. Сок подвергался концентрированию до 65±3 % содержания сухих веществ - по рефрактометру для серийного аппарата - и путем замеров удельной электропроводности с последующим пересчетом на концентрацию - для разработанного аппарата. Затем восстанавливался дистиллированной водой до исходной концентрации. Исследования проводились на разработанном аппарате и на действующем серийном аппарата с греющей камерой конструкции типа «кожухотрубчатый теплообменник» (далее «классический» выпарной аппарат). Результаты представлены в таблице 5.

При прямом электронагреве потери наиболее термолабильного витамина С составили менее 30% от содержания в исходном соке в отличии от потерь до 80 % при выпаривании в аппарате с теплопередающей поверхностью (далее — «классический»).

Вероятно, это вызвано тем, что при общей одинаковой температуре кипения соков, в «классическом» выпарном аппарате сок контактирует с горячей (расчётное значение температуры стенки - около 98 °С) теплопередающей поверхностью приводит к значительному разложению витамина С. В аппарате прямого электронагрева точечное измерение температур по объёму выпарной ёмкости выявило градиенты температур не превышающие 5 °С.

Некоторое превышение содержания железа в соке при выпаривании в «классическом» аппарате вероятно обусловлено привнесением железа из конструкции аппарата, в результате коррозии (визуально место коррозии выявлено не было).

Потеря органических кислот при выпаривании сока в аппаратах обоих типов оказалась соизмеримой. Тем не менее, в аппарате омического электронагрева потеря органических кислот меньше, чем в «классическом» выпарном аппарате.

Органолептические показатели концентрированного сока, определяемые по ГОСТ 8756.1-79, полученного обоими способами не отличаются или отличаются не существенно.

Таблица 5 - Сравнительная характеристика яблочного сока после обработки различными способами

№ п/п Вид сока Среднее содержание анализируемого компонента на 100 г сока, в пересчёте на 12 % сухого вещества.

Витамин С, мг Железо, мг Органические кислоты, г

1 Свежевыжатый сок 2,4 1,5 0,5

2 Восстановленный после концентрирования в аппарате с поверхностью нагрева 0,5...0,6 1,7 0,42

3 Восстановленный после концентрирования прямым электронагревом 1,7 1,4 0,47

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что прямой омический нагрев обеспечивает более интенсивное нагревание растворов, чем традиционные поверхностные и контактные способы нагрева.

2. Экспериментально определены важнейшие параметры электродной системы, выявлены основополагающие и значимые для процесса зависимости между ними.

3. Экспериментально доказано асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт, а также его меньшее деструктивное влияние на витаминный состав соков по сравнению с традиционными методами выпаривания.

4. Установлена зависимость электропроводности растворов пищевых жидкостей от концентрации сухих веществ, от кислотности и от температуры.

5. Доказана возможность измерять содержание сухих веществ в процессе выпаривания по изменениям электропроводности. Это дает возможность автоматизировать контроль за концентрацией продукта на всех стадиях выпаривания без нарушения режима ведения процесса, а также регулировать подачу исходного сырья.

6. Разработана методика расчета электродных греющих камер с плоскопараллельным расположением электродов для малотоннажных выпарных аппаратов. Разработана и предложена математическая модель

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Попов, A.M. Исследование кинетики и механизма капиллярного влагообмена при формировании гранул быстрорастворимых напитков [Электронный ресурс] / A.M. Попов, Н.В. Тихонов, Д.В. Доня, И.Ю. Березина, И.А. Михайлова, М.А. Макковеев // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - Режим доступа: http:/Avww.science-education.ru/113-10543

2. Попов, A.M. Экспериментальное определение зависимости удельной электропроводности соков от концентрации [Электронный ресурс] / A.M. Попов, Н.В. Тихонов, И.Н. Тихонова, М.А. Макковеев // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - Режим доступа: http://vvww.science-education.rU/l 11-10236

3. Попов, A.M. Исследование технологических процессов для концентрирования и стерилизации соков методом прямого нагрева / A.M. Попов, Н.В. Тихонов, И.Н. Тихонова // Техника и технология пищевых производств. — 2013,— № 1. - С. 81-87.

4. Тихонов, Н.В. Определение асептического воздействия омического нагрева органических пищевых жидкостей в лабораторных условиях / Н.В. Тихонов, И.Н. Тихонова // Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке». -Томск, 2013.-Т. 1.-С. 221-222.

5. Патент РФ на изобретение RU № 2479062 С1, МПК Н01Н39/00 от 10.04.13. Устройство выключателей электрического тока / Е.В. Ипполитов, В.П. Сергеенко, В.И. Махрин, В.В. Тихонов, Н.В. Тихонов, заявитель и патентообладатель В.П. Сергеенко - № 2011152157/07. заявл. 20.12.11.-Бюл. № 10.-4 с.: ил.

6. Патент РФ на полезную модель RU № 113068 U1, МПК Н01Н39/00 от 21.01.12. Взрывной выключатель электрического тока / Е.В. Ипполитов, В.П. Сергеенко, В.И. Махрин, В.В. Тихонов, Н.В. Тихонов, заявитель и патентообладатель В.П. Сергеенко - № 2011134484/07. заявл. 17.08.11. - Бюл. № 3. - 4 с.: ил.

Подписано к печати 10.11.2013 г. Бумага офсетная. Печать плоская. Тираж 100 экз. Заказ № 01С196/13 Отпечатано: ООО «Графика М» г. Томск, ул. Усова, 3, т. (3822) 56-56-12

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

На правах рукописи

04201450873

ТИХОНОВ НИКОЛАИ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И УЛЬТРАПАСТЕРИЗАЦИИ СОКОВ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович

Кемерово - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор..................................................................12

1.1 Способы концентрирования пищевых жидкостей.................................12

1.1.1 Экстракция..................................................................................12

1.1.2Выпаривание...............................................................................16

1.1.3 Электрохимические методы.............................................................17

1.1.4Обратный осмос и ультрафильтрация................................................18

1.1.5Вымораживание...........................................................................20

1.2 Аппаратурное оформление процессов концентрирования........................22

1.2.1 Экстракторы................................................................................22

1.2.2Выпарные аппараты......................................................................25

1.2.3Мембранные аппараты....................................................................26

1.2.4 Аппараты для вымораживания..........................................................29

1.3 Аппараты электродного типа (АЭТ)....................................................31

1.4 Способы интенсификации процессов концентрирования..........................34

1.4.1 Методы интенсификации экстракционного процессса..............................34

1.4.2Методы интенсификации процесса выпаривания....................................35

1.4.3Методы интенсификации фильтрационных процессов............................36

1.4.4Методы интенсификации криоконцентрирования.................................37

1.4.5Методы интенсификации прямого электронагрева...............................38

1.5 Способы борьбы с карамелизацией и пеной...........................................40

1.5. 1Карамелизация.............................................................................41

1.5.2Пенообразование.........................................................................42

1.6 Асептическое влияние прямого электронагрева....................................45

1.6.1 Омическое асептирование на производстве...........................................46

1.7 Биологическое влияние прямого электронагрева на продукт...................48

1.8 Выводы из литературного обзора.....................................................49

1.9 Постановка задачи исследований......................................................53

Глава 2. Научные и экономические предпосылки использования омического

нагрева для концентрации соков...........................................................56

2.1 Ток как интенсификатор процессов в гетерогенных системах...................56

2.2 Асептическое влияние тока на обрабатываемый продукт........................59

2.3 Лабораторная установка и методики эксперимента...............................64

2.3.1 Экспериментальное определение факторов, оказывающих влияние на

интенсификацию тепломассообменных процессов в АЭТ....................67

2.3.2Электропроводность раствора и концентрация сухих веществ.................69

2.3.3Электропроводность раствора и температура......................................74

2.3.4Электпроводность раствора и кислотность.........................................77

2.3.5Удельная мощность греющей камеры и гидродинамика АЭТ...................78

2.3.6Экономическая и технологическая целесообразность использования тока в

пищевой промышленности..........................................................80

Глава 3. Математическая модель процесса омического нагрева жидкостей.........................................................................................82

3.1 Модель Де Альвиса и Фрайера.........................................................82

3.2 Модель Шастри-Паланиэппэна........................................................84

3.3 Анализ моделей и применение к разрабатываемому АЭТ.......................86

Глава 4. Расчет и конструирование установки омического нагрева............89

4.1 Выбор материала электродов..........................................................90

4.1 ЛПроверка на коррозионную стойкость. Методика эксперимента...............90

4.2 Расчет геометрии электродной группы..............................................92

4.3 Меры по обеспечению электробезопасности установки.........................95

Глава 5. Апробация установки в реальных условиях и сравнение...............98

5.1 Лабораторные установки и методика эксперимента..............................98

ВЫВОДЫ.........................................................................................100

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Впервые, про прямой электронагрев для пастеризации молока упоминалось в 1919 г., но успешное применение осуществлено и описано Гетчелом в 1935 г. [1]. Другое практическое применение, в виде устройства для бытового применения, прямого электронагрева было отмечено в 1938 г. в США в виде так называемого «процесса электропюре». Но это направление развития бытовой техники не получило дальнейшего развития из-за высокой стоимости, несовершенства средств электробезопасности, отсутствия инертных относительно рабочей среды материалов для изготовления электродов. Несмотря на некоторые недостатки прямого электронагрева, в последние две декады XX века продолжались исследования применения прямого электронагрева в технологиях обработки фруктов, овощей, мясопродуктов, молокопродуктов.

Прямой электронагрев является также одним из современных методов осуществления ультравысокотемпературного процесса стерилизации (UHT sterilization process).

С помощью прямого электронагрева становится доступной обработка продуктов с включениями размером до 10-13 мм, что затруднительно при ведении процессов в обычных теплообменных аппаратах. Кроме того, по сравнению с обычными теплообменниками, эксплуатация аппаратов прямого электронагрева и их обслуживание более просты.

Прямой электронагрев может использоваться для нагревания жидких пищевых продуктов, содержащих большие частицы, такие как супы, тушеные продукты, ломтики фруктов в сиропах и соусах, а также для нагревания термочувствительных жидкостей. Этот способ подвода энергии целесообразно использовать-при тепловой—обработке—протеиновых—продуктов,—которым свойственна термическая денатурация и коагуляция. Например, яичный белок может быть нагрет и законсервирован без коагуляции. Одним из направлений применения прямого электронагрева может быть очистка фруктов и овощей от кожуры. При этом можно в значительной мере уменьшить использование щелочи,

обычно применяемой для таких операций, что поможет уменьшить выбросы в окружающую среду [2].

Сегодня ряд зарубежных фирм выпускают промышленные аппараты прямого электронагрева для пищевых технологий. Среди них «Emmepiemme SRL» (Италия), «АРУ» (Великобритания) и прочие. Мощность таких аппаратов составляет 50-500 кВт, температура обработки продукта 50-170 °С, производительность 500-3000 кг/ч.

С использованием прямого электронагрева значительное количество перерабатывающих заводов разных стран (Италия, Греция, Франция, Мексика, Япония) уже вырабатывают цельные консервированные фрукты, фрукты в соусах, ломтиках и кубиках. В США прямой электронагрев применяется для производства низкокислотных фракционных (с кусочками) продуктов в консервных банках, а также для пастеризации яичных белков [1].

Анализ, проведенный в университете штата Миннесота в 90-х годах XX в., показал, что применение прямого электронагрева является экономически целесообразным, поскольку дает возможность существенно повысить качество продуктов. Это дало толчок к развитию технологий и оборудования для прямого электронагрева в пищевых областях. На сегодня стоимость оборудования для прямого электронагрева существенно снизилась и диапазон продуктов, для изготовления которых применяется прямой электронагрев, значительно расширился.

В 2004 г. ученые и производители Словацкой Республики начали проект «FOOD Prostart» с целью повышения конкурентоспособности продукции словацкой пищевой промышленности на рынках Австралии, Японии и Северной Америки. Они считают, что традиционные методы нагрева, где теплота

__образуется за пределами продукта и передается продукту за счет теплопередачи

или конвекции, непригодны для производства продукции из фруктов и овощей, содержащей частицы первичного сырья. При этом наблюдается перегрев жидких компонентов и недостаточный прогрев частиц, потеря пищевых и

органолептических качеств продукта. Целью проекта является решение указанных проблем с помощью прямого электронагрева.

Согласно данным, приведенным в справочнике энергоэффективности, выпущенном при участии Департамента анализа энергетики США, перспективными сферами применения прямого электронагрева является переработка овощей и фруктов, включая бланширование, упаривание, дегидратацию, ферментацию и экстракцию. В опытах, проведенных в университете штата Луизиана, образцы сладкого картофеля (батата) обрабатывались прямым электронагревом перед сушкой замораживанием. Это повышало степень высушивания на 25%, что приводило в свою очередь к значительной экономии электроэнергии и сокращению времени на обработку. Вместе с тем указано, что на эффективность процесса влияют такие параметры процесса, как частота переменного тока, напряжение, температура, до которой нагревается рабочая среда и ее электропроводность [3].

Действительно, основными параметрами, характеризующими процесс прямого электронагрева, являются частота тока, напряженность электрического поля и электрофизические свойства продукта. Увеличение напряженности электрического поля или уменьшение сопротивления продукта приведет к увеличению рабочего тока и, как следствие, к интенсификации выделения джоулевой теплоты. Также известно, что интенсивность нагревания со снижением частоты увеличивается. Так, наибольший эффект с точки зрения интенсивности нагревания имеет место при применении постоянного тока. Но использование постоянного тока для непосредственного нагрева пищевых продуктов крайне ограничено, а в большинстве случаев является невозможным вследствие электролиза.

С увеличением частоты тока эффективность прямого-нагрева продуктов уменьшается. Это происходит вследствие уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в объем продукта (поверхностный эффект). Таким образом, применение токов высокой частоты фактически может привести к образованию неравномерных полей температур в нагреваемом продукте.

Актуальность темы. В последние годы активно развивается применение в пищевых технологиях электрического тока непосредственно для обработки сырья и продуктов, а именно: электрогидравлический шок, электропорация (разрушение клеточных мембран) и нагрев за счет джоулевой теплоты — прямой электронагрев (омический нагрев).

Такие способы воздействия на пищевое сырьё, в некоторых случаях, особенно когда энергоносителем выступает электроэнергия, могут заменить традиционный нагрев за счет теплопроводности, конвекции и излучения, поскольку генерирование теплоты здесь происходит в самом продукте, что позволяет существенно повысить энергоэффективность производственных процессов.

Преимущество прямого электронагрева в сравнении с традиционным нагревом: быстрый и однородный нагрев, более высокая степень стерилизации при более низких температурах обработки, более высокое качество продукции, возможность обработки продукта с высоким содержанием твердых составляющих, непрерывность производственного процесса и надежный контроль его параметров.

Расчёт малогабаритного аппарата, подбор материалов электродов для концентрирования пищевых жидкостей, расчет оптимальных режимов эксплуатации является актуальной задачей в силу отсутствия единой схемы расчетов подобных аппаратов, отсутствия на рынке малогабаритных аппаратов серийного отечественного производства для обработки пищевых продуктов.

Степень разработанности темы. Проблемой теории и практики выпарных аппаратов, основанных на греющих камерах электродного типа занимались такие -известные ученые как Пищулин В.П., Косинцев В.И., Лотов В.А., Москвин Л.Н., _ Пьянков А.Г. и др. (СССР). На основании их исследований были созданы методические указания для учебного процесса по курсу «Процессы и аппараты химических производств», разработаны методики расчета аппаратов электродного типа, определены основные физико-химические характеристики процесса

прямого электронагрева. Однако их исследования относились к области неорганической химии и соединений. В направлении использования прямого электронагрева для обработки пищевых жидкостей известны работы Гетчела Б.Е. как одни из самых ранних работ по адаптации греющих камер электродного типа для пищевой промышленности. Непосредственно на обработке и ультрапастеризации пищевых продуктов специализировались такие ученые как Шастри С.К., Смит П., Де Альвис и др., а так же научные коллективы системы университетов Миннесоты (США), машиностроительного факультета Пражского чешского технического университета (Чехия), агрокультурного центрального университета штата Луизиана (США). Их разработки легли в основу формирования задач исследований данной диссертации, выбора объектов исследования и разработки аппарата прямого электронагрева (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013).

Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса концентрирования пищевых продуктов с использованием прямого электронагрева и разработка на этой основе методики расчета и создание аппарата прямого электронагрева.

Задачи исследований.

• Классифицировать методы концентрирования соков с позиции эффективности на основании литературного обзора применяемых методов по экономическим и технологическим параметрам. Определить факторы, оказывающие влияние на интенсификацию методов.

• Определить важнейшие факторы, оказывающие влияние на интенсификацию тепломассообменных процессов в разрабатываемом аппарате

-----прямого—электронагрева, включая электропроводность -пищевых- растворов,

вольтамперные характеристики системы, удельную мощность греющей камеры электродного типа, ее конструктивное оформление.

• Аналитически и экспериментально исследовать физико-химические процессы, возникающие при омическом нагреве жидкостей в аппаратах электродного типа, и их влияние на получаемый продукт.

• Построить математическую модель процесса омического нагрева, на основе анализа, существующих математических описаний аналогичных процессов.

• Разработать методику расчёта технологических и конструктивных параметров аппаратов омического нагрева соков.

• Экспериментально исследовать влияние обработки пищевых жидкостей в разработанном омическом вакуум-выпарном аппарате экстракторе на их органолептические, физические и химические характеристики.

Научная новизна работы.

• Установлена зависимость электропроводности, как основного параметра процесса омического нагрева, от концентрации упариваемого сока и от температуры для яблочного, облепихового, черносмородинового, рябинового соков.

• Получена линейная зависимость электропроводности от общей кислотности соков.

• Определена зависимость удельной подводимой мощности при прямом электронагреве от концентрации сухого вещества, не приводящая к увеличению объёма пены при кипении яблочного сока под атмосферным давлением, для заданной поверхности испарения.

• Построена математическая модель процесса омического нагрева плодово-ягодных соков.

• Разработана методика расчета аппаратов с рабочим объемом от 1 л до 100 л электродного типа, непрерывного действия с плоскопараллельным расположением электродов для концентрирования плодово-ягодных соков омическим нагревом.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

• Экспериментально определена взаимосвязь электропроводности соков с их физическими характеристиками.

• Получена эмпирическая зависимость удельной мощности греющей камеры от концентрации для яблочного сока, позволяющая контролировать пенообразование.

• Предложено математическое описание процессов прямого электронагрева, учитывающее влияние конвекции на температурный профиль.

Практическая значимость состоит в том, что:

• Изучена коррозионная стойкость нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в среде плодово-ягодных соков на примере яблочного и даны рекомендации по ее применению в качестве электродов.

• Доказано параллельное асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт в процессе нагрева, даны рекомендации по использованию асептического влияния в процессе производства.

• Разработана схема расчета малогабаритного аппарата прямого электронагрева непрерывного/периодического действия для исследования процессов нагревания, выпаривания и асептической обработки пищевых растворов различного состава.

• Для повышения эффективности и оптимизации разм�