автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение процессов сушки и набухания осветленного свекловичного жома в технологии пектина и пищевых волокон

На правах рукописи

ГОЛУБЯТНИКОВ Евгений Иванович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И НАБУХАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА В ТЕХНОЛОГИИ ПЕКТИНА И ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКГ ¿ОгЗ

Воронеж-2013

005536067

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Шишацкий Юлиан Иванович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Магомедов Газибег Омарович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»), заведующий кафедрой

доктор технических наук, профессор Попов Виктор Михайлович (ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»), заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Защита состоится «14» ноября 2013 г. в 14м ч на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, пр. Революции, 19, конференц зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Автореферат размещен в сети Интернет на официальном сайте Министерства образования и науки РФ https://vak2.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru «14» октября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «14» октября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д.212.035.01, д.т.н., профессор

Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Свекловичный жом, образующийся на сахарных заводах, содержит комплекс ценных питательных -компонентов. Поэтому он является нужным побочным продуктом, из которого получают пектин и пищевые волокна, имеющие большой спрос.

Свекловичный пектин обладает наилучшими комплексообразу-ющими свойствами и как детоксицирующее природное вещество не имеет аналога в мире. Комплекеообразующая способность, т.«. способность связывать металлы и выводить из организма ядовитые вещества и радионуклиды, у свекловичного пектина в три раза выше, чем у цитрусового и яблочного. Пищевые волокна (ПВ) являются ценной пищевой добавкой, способной регулировать работу ряда органов и систем организма человека.

Научные основы производства пектина из сахарной и кормовой свеклы изложены в работах Л.В. Донченко, И.П. Захарова, М.Д. Зуева, И.А. Ильиной, Н.С. Карповича, П.М. Силина и др. Существенный вклад в теорию и практику получения пищевых волокон внесен В.А. Лосевой.

Главными факторами, сдерживающими расширение объемов производства пектина и ПВ из свекловичного жома являются сложность технологии и высокие требования, предъявляемые к наиболее важному этапу - подготовке сырья к основному производству. В результате подготовки сырого свекловичного жома существенно улучшаются органо-лептические и физико-химические показатели конечных продуктов.

Таким образом, весьма актуальной задачей является научное и экспериментальное обоснование подготовительных процессов сушки и набухания осветленного свекловичного жома с целью улучшения качества и повышения выхода пектина и пищевых волокон.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры промышленной энергетики ВГУИТ (№ гос. регистрации 01.1.302.15230) «Исследование процессов тепло- и массообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования» на 2010-2015 гг.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование процессов сушки и набухания осветленного свекловичного жома для увеличения эффективности его подготовки в технологии пектина и пищевых волокон за счет определения рациональных технологических режимов и повышения качества готовой продукции.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Исследование кинетики процесса осветления свекловичного жома, обоснование места введения лимонной кислоты в технологический процесс.

2. Изучение форм связи влаги со свекловичным жомом; выполнение количественной оценки энергии связи влаги с материалом.

3. Изучение основных гидродинамических и кинетических закономерностей процесса сушки жома в псевдоожиженном слое с целью выявления рациональных режимов сушки.

4. Построение математической модели процесса сушки жома в псевдоожиженном слое, ее программное обеспечение.

5. Изучение кинетики процесса набухания сушеного свекловичного жома.

6. Оценка качества сушеного жома как пектиносодержащего сырья.

7. Разработка способов подготовки свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон, сушки дисперсных материалов, а также конструкций сушилок.

Научная новизна. Экспериментально и математически обоснованы режимы, обеспечивающие максимальное осветление сырого свекловичного жома лимонной кислотой, а также место ее введения в технологический процесс.

Выявлены три температурные зоны, которые соответствуют испарению влаги из жома с различной формой связи, а также термическому разложению белково- углеводного комплекса.

На основе исследований и анализа изотерм сорбции и десорбции выполнена количественная оценка энергии связи влаги со свекловичным жомом как термодинамической характеристики, не противоречащая потенциальной теории Поляни.

Установлены основные гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя свекловичного жома, позволяющие организовать качественное псевдоожижение в процессе сушки.

Выявлены кинетические закономерности процесса сушки жома в псевдоожиженном слое; теоретически и экспериментально обоснованы возможность интенсификации сушки при совместном осевом и тангенциальном вводе теплоносителя в рабочую камеру сушилки, а также энергоэффективность процесса.

Построена математическая модель процесса сушки свекловичного жома в псевдоожиженном слое, описывающая изменение параметров материала и теплоносителя в объеме слоя, а также равновесного влаго-содержания материала в ходе процесса.

Установлены кинетические закономерности процесса набухания сушеного свекловичного жома, дано термодинамическое объяснение процесса.

Практическая ценность. Исследованы химические показатели качества сырого и сушеного свекловичного жома.

Разработан способ подготовки свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон, выполнено рациональное аппаратурное оформление способа.

Разработаны оригинальные конструкции сушилок с псевдоожи-женным слоем.

Предложено программное обеспечение процесса сушки жома; определены рациональные параметры процесса, позволяющие повысить качество продукта.

Новизна технических решений защищена 1 патентом РФ на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ранее ВГТА ) (с 2010 по 2013 гг.); на международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012); на Юбилейной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2013); на II Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию ВГАУ и 20-летию образования факультета технологии и товароведения «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» (Воронеж, 2013).

Результаты работы также демонстрировались на межрегиональной выставке: «Воронежский АПК сегодня <в честь 100-летия ВГАУ)» (Воронеж, 15 сентября 2012 г.), по итогам которой работа награждена 3 дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 7 тезисов докладов, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 203 наименований, в том числе 28 - на иностранных языках, объемом 163 страницы машинописного текста, приведены 9 таблиц и 56 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризован жом как ценный вид сырья для производства пектина и пищевых волокон, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность выполненных исследований.

В первой главе дана оценка свекловичного жома как объекта исследования; систематизированы литературные данные о современном состоянии техники и технологии осветления свекловичного жома, его сушки, а также набухания сушеного материала.

Дан анализ достоинств и недостатков математических моделей процесса сушки жома.

На основании проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования.

Во второй главе приведены экспериментальные исследования процесса осветления свекловичного жома с целью исключения его потемнения при дальнейшей технологической обработке и хранении. Для этого использовалась лимонная кислота, являющаяся пищевым реагентом, ингибирующим окислительные процессы.

Исследования проводились на экспериментальной установке. Массовая доля лимонной кислоты и продолжительность ее контакта со свекловичной стружкой изменялась в широком диапазоне и гидромодуле 1:0,5. Показатель белизны стружки после ее высушивания и измельчения определялся на лабораторном приборе "БЛИК - РЗ" по специальной методике. Строились зависимости белизны свекловичной жома Б в единицах шкалы прибора от массовой доли лимонной кислоты к массе жома д,%, а также длительности ее контакта со стружкой т, мин (рис. 1).

Рис.1. Зависимость белизны свекловичного жома Б от продолжительности контакта г с раствором лимонной кислоты при массовой доле лимонной кислоты дг, %; 1 - 0,01; 2 - 0,04; 3 - 0,06; 4 - 0,08; 5 - 0,09

НО 50 60 хлм

Видно, что при массовой доле лимонной кислоты ц = 0,08...0,09 % и продолжительности контакта с раствором лимонной кислоты т = 38...40 мин достигалось максимальное значение белизны Б = 55...57 усл. -ед., что соответствует белизне муки высшего сорта.

В результате статистической обработки результатов эксперимента получено уравнение регрессии второго порядка, адекватно описывающее зависимость белизны свекловичной стружки от изучаемых факторов у = 26,02 + 7,322Х1 + $,407Х2 +2,575Х1Х2 +0,344^ -1,643^, гдъХиХ2 - кодированные значения параметров дпт.

Получена геометрическая интерпретация модели в виде двумерных сечений поверхности отклика. Номограмма имеет практическое значение, поскольку позволяет оперативно проследить за динамикой процесса осветления свекловичного жома.

Исследована зависимость плотности осветленного свекловичного жома от влагосодержания при / = 20 °С (рис.2). Характер зависимости р{иу), где иу - влагосодержание материала, усредненное по объему, логично увязан с величиной коэффициента объемной усадки /^уравнением ру - . В нашем случае Д, = 1,34; плотность абсолютно сухого тела р0 = 1360 кг/м3.

Расчетные зависимости р, полученные по формуле 1 + иу

В.М. Харина р = ра--—, хорошо согласуются с экспериментом

и1 + Руиу

(точки на поле графика).

Следует отметить, что характер зависимости р(иу) несколько отличается от зависимостей, полученных другими авторами. Это объясняется различием химического состава жома, зависящего от сорта сахарной свеклы и района ее выращивания.

Выполненные расчеты усадки пластинчатой свекловичной стружки с усредненными размерами показали, что объем абсолютно

р.

а/»'

Ш -

ш

25

SO U«. «г/кг

Рис. 2. Зависимость р{иу) для свекловичного жома

сухой частицы жома примерно в 5 раз меньше объема частицы стружки, а ее площадь поверхности - примерно в 2,5 раза. Следовательно, при расчете процесса сушки следует учитывать усадку материала.

Экспериментальное исследование форм связи влаги в образцах свекловичного жома осуществлялось методом неизотермического анализа на дериватографе TGA/SDTA 851 фирмы METTLER TOLEDO. Количественная оценка форм связи влаги выполнялась по экспериментальным зависимостям изменения массы образца TGA, скорости изменения температуры РТА и скорости изменения массы DTG (рис. 3).

Дериватограмма жома имеет характерную температуру ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги и отделением газообразных фракций.

Построенная зависимость степени превращения вещества а от температуры Т имеет вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ свекловичного жома, и предполагает разную скорость дегидратации. На кривой зависимости (-^а) от величины 1000/Т (рис.4) определены участки, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи.

При нагревании до температуры 383К (точка А на графике) происходит удаление физико-механической и осмотически связанной влаги; при дальнейшем нагревании до температуры 423К завершается удаление адсорбционной влаги; свыше 423К завершается удаление сильно

Рис.3. Дериватограмма свекловичного жома

связанных адсорбционной влаги и химически связанной влаги. Приведенный анализ полученных данных позволяет обосновать выбор рациональных режимных параметров процесса сушки свекловичного жома.

Дополнены сведения об изотермах свекловичного жома как ка-пиллярнопористого тела: получены изотермы сорбции при температурах 25 и 50 °С, для чего использовался динамический метод.

Рис.4 Зависимость -/£« от величины Рис.5. Зависимость энергии связи

103/Т при нагревании исследуемого об- влаги Е свекловичного жома от равно-

разца жома со скоростью подъема темпе- весного ир влагосодержания : 1 - 25 °С;

ратуры 10 К/мин 2-50 °С; 3 - 70 °С; 4 - 90 °С

На основе теории полимолекулярной адсорбции (теории Поляни) рассчитана энергия связи влаги со свекловичным жомом (рис.5). Энергия связи влаги возрастает при высушивании. Чем ниже мр, тем значительнее энергия связи, поскольку возрастает доля влаги, связанной осмотически и адсорбционно. В работе дано термодинамическое объяснение энергии связи влаги со свекловичным жомом.

В третьей главе изложены экспериментальные исследования гидродинамики и кинетики сушки свекловичного жома, выполненные на специально созданной сушильной установке с псевдоожиженным слоем с возможностью подачи теплоносителя в осевом и тангенциальном направлении (рис.6); изложено математическое описание процесса сушки жома в псевдоожиженном слое.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки: 1 - сушильная камера; 2 - нагреватель; 3 - газораспределительная решетка; 4, 5 - патрубки для осевого и тангенциального подвода теплоносителя; 6, 7 - воздуховоды горячего и холодного теплоносителя; 8 - электрокалорифер; 9 - вентилятор; 10 - электродвигатель; 11, 12, 13, 14 - заслонки; 15 - электромагнитный пускатель; 16 - пакетный переключатель; 17 - сигнальная лампа; 18 - психрометр; 19 - ваттметр; 20 - и-образный манометр; 21 - термопары; 22 - измеритель регулятор ОВЕН ТРМ 138; 23 - амперметр; 24 - вольтметр; 25 - гигрометр; 26 - микроманометр.

Отмечено снижение сопротивления слоя материала при совместном вводе воздуха (осевом и тангенциальном) по сравнению с традиционным псевдоожижением (осевом вводе). Этот положительный эффект объясняется следующим. Наряду с гидродинамической силой оказывают воздействие на дисперсную фазу центробежные силы, отбрасывающие частицы жома к стенке рабочей камеры, а также силы трения частиц о стенку и между собой. Увеличиваются частота контакта между частицами, относительная скорость теплоносителя и частиц, а также интенсифицируется сушка вследствие увеличения суммарного коэффициента теплоотдачи.

Критерий Эйлера практически не зависит от критерия Рейнольдса в области развитой турбулентности, а качественное ожижение обеспечивают инерционные силы. С увеличением скорости фильтрации критерий Эйлера снижается.

Зависимость критерия Лящеико от критерия Архимеда дает возможность определить критическую скорость и скорость фильтрации. Зависимость получена при при v^, = 1,2...1,7 м/с, ho ы ПО мм и порозно-сти слоя £ ~ 0,5.

Строилась зависимость порозности слоя е от степени расширения слоя h/ho

Выявлены три зоны пссвдоожижения: нижняя прирешеточная зона пониженной концентрации жома, зона плотной фазы ожижения и верхняя зона высокой порозности.

Характер полученной зависимости с( h/h0) находится в согласии с данными Беккера и Хиртжеса.

Получены также экспериментальные зависимости h/h9 (v/v^) и p/pv(h/hj.

Выявленные гидродинамические закономерности в совокупности характеризуют структуру пссвдоожижснного слоя и поэтому позволяют организовать равномерное и однородное распределение по объему слоя потока теплоносителя.

Наиболее прогрессивным и распространенным способом консервирования жома является его сушка. Режим сушки должен быть таким, чтобы частицы жома не нагревались выше 80...85°С и их поверхность не подгорала. При более высокой температуре содержание пектиновых веществ снижается до 30% вследствие их термической деградации (по т данным J1.B .Дончснко).

Из рис. 7. видно, что

А»

tv

о

повышение начальной температуры воздуха ускоряет процесс сушки, при этом температура материала возрастает. Так, до конечной влажности Н^ ш 12% жом высушивался при температуре / = 100 °С за 22,5 мин, а при / = 118 °С за 12 мин. Совокупный подвод теплоносителя (осевой и тангенциальный) сокращает продолжительность сушки в среднем на 2...3 мин, вследствие увеличения суммарного коэффициента

О V Я , я* Я

Рис.7. Кривые сушки и нагрева свекловичного жома в зависимости от температуры /. "С. при осевой подаче теплоносителя: 1 -100; 3 - 110; 4 - 118; V« -3 м/с; д = 26 кг/м'

теплоотдачи.

С увеличением скорости V продолжительность процесса сокращается, поскольку увеличивается съем влаги с поверхности частиц в единицу времени потоком нагретого воздуха.

Увеличение удельной нагрузки на решетку q приводит к снижению интенсивности сушки из-за большего насыщения теплоносителя влагой.

Дано термодинамическое объяснение полученным результатам по исследованию гидродинамики и сушки свекловичного жома в псев-доожиженном слое на основе теории И.П. Базарова и принципа Ле Ша-телье - Брауна. Рассматривая двухфазную систему (частицы материала -теплоноситель) как открытую термодинамическую систему, можно допустить, что в сушильной камере соблюдаются общие условия термодинамического равновесия и устойчивости в процессе сушки свекловичного жома.

При построении математической модели процесса сушки свекловичного жома в псевдоожиженном слое исходили из того, что модель должна включать уравнения кинетики массо- и теплообмена, а также соотношения материального и теплового балансов.

Приняты следующие допущения: идеальное перемешивание частиц в слое; начальные параметры воздуха постоянны; неизменность в каждом периоде сушки коэффициентов массо- и теплопередачи, а также газосодержание в слое высушиваемого жома.

Уравнение баланса влаги

]{х„-х)=с!и/с1х+усЬс/с1т. (1)

Уравнение теплового баланса Лсг-спхнутш - 7> ) = (с+с„иуГГ/ат+г (с г +спх)Л-г/с1г-1г+сп(Тг-Т)]с!и/с1т- (2)

Период поверхностного испарения (1-й период сушки).

Уравнение кинетики массообмена для данного периода имеет вид N = Р/{С5-С). (3)

Уравнение баланса влаги (1) для данного периода сушки приводим к виду

Лхн -*1)= -Ы+усЬс^т. (4)

Кинетика теплообмена описывается уравнением

(#(ТГ1 -Т1) = (с+свщ)с!Т1/с1т + Ы[г+сп(ГГ1 -71)]. (5)

Из (2) получаем уравнение теплового баланса для рассматриваемого периода сушки

Лсг+спхнХТт-Тг) = (.с+сви1)сГГ^^т+Г^г+спх1угг/с/т+[г+сп(Тг-Т1Ш. (6)

После интегрирования уравнения (4) с начальным условием

х,(0) = хи, имеем

х,(г) = хп + (Л/Я 1" exp(-j г/г)]. (7)

На основании (5), (6) имеем

2

7j(r) = Тн [50 + (8)

/=1

где и В,- коэффициенты.

Подставив в уравнение (5) найденную переменную Тх(т) и ее производную, имеем

г

Tn(j) = Nr/(cf) + TH{B0 +^i\l+si(c+cBuH)j/(qf)]Bi<xp(sjT)}. (9)

/=1

Период внутреннего испарения /2-й период_сушки).

Уравнение кинетики имеет вид

du2/dT = -kfpQiu2-uP) (Ю)

Уравнение баланса влаги (1) в этом периоде сушки

j(xH-x2) = du2/dr + }dx2/dr. (11)

В результате математических преобразований с учетом начальных условий н,(0)-ин и условий неразрывности

щ(т*) = и2(т*1 dul(T*)/dT = du2(j*)/dt, (12)

получаем

2

и2(т) = иРН +^4exp[/7,j(r-r*)], (13)

<=1

где Aj - коэффициент.

С помощью (13) и (10) находим 2

х2(т) = хн + (byB)-l^jA,(pi + yB)exp[Plj(T - г*)], (14)

i=1

2

«„(г) = а+Ьхн НУВГ^МР, +yß)exp[piy'(T-r*)]. (15) i=i

Уравнение, описывающее продолжительность 1-го периода сушки г*

г* = (ин —uPH)N~x -K~l-bj-l[l-exp(-jr*/y)l (16)

Критическое влагосодержание

и* = ин -Nr*. (17)

Кинетическое уравнение теплообмена и уравнение теплового баланса запишем в виде

*г/(Гг2-Т2)=(с+сви2)сГГ2/с1т-1г + сп(ТГ2 -Т2)]<1и2/<1т, (18)

Лсг+спхп )(тгп - ТГ2 ) = - (с + сви2) (1Т2 ¡(1т + у (ср + сцХ2) сГГр2 /¿т- <

~[г + сп(ТГ2-Т2)]с1и2/с1т. Из уравнений (18), (19) и (13) при начальных условиях Т2(т*) = Г,(г*); ОГг (т*)/с1т = ¿Гх (т*)/с1т

получаем

4

т2 (Т) = тги + Т„ ^С,ехр[/>,у(г - г*)], . (20)

/=1

где С/-коэффициент.

Из уравнения (18) из формул (13) и (20) следует

ТГ2(т) = Т2(т) + Мт/у{х Г 4 2 ] (21)

Полученные аналитические решения исходных уравнений находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными (рис.8).

Рис.8. Сравнение экспериментальных данных с рассчитанными по построенной модели: *=100°С; уос = 3 м/с; д = 26 кг/м2. (о - экспериментальные данные; — расчетные дан-г; мин ные).

В четвертой главе приведено экспериментальное исследование и термодинамический анализ процесса набухания сушеного свекловичного жома.

Степень набухания / рассчитывалась по формуле:

._ т-тй тж ^2)

т0 т0

где т0 и т - масса исходного и набухшего сырья; тж - масса поглощенной жидкости.

Результаты экспериментов приведены на рис.9 ...12.

Я*

ПЬт тт.

V в

_._._______

о <о ео но го

Сда

Рис. 9. Кинетические кривые набухания т = /(г) 1 - 25°С; 2 - 50°С

тг

1о я а т, пи Рис.11. Кинетические кривые набухания т =Дг) /=25°С; с1ср=3 мм

Рис.10. Кинетические кривые набухания ¡=/(т) 1 - 25°С; 2 - 50°С.

Рис.12. Кинетические кривые набухания 1=/(г) /=25°С; с1ср=3 мм

/ ¿/

В первые 2...4 мин интенсивность процесса мала. Происходит пропитка частиц. Это начало стадии гидратации.

По характеру восходящих участков на рисунках очевидно, что обе стадии набухания — гидратация и осмотическая протекают одновременно. Кинетические кривые (рис. 9, 10) достигают предельных значений ттах и /„^ в течение 100 мин при / = 25°С и 80 мин при Г = 50°С, а кинетические кривые (рис. 11, 12) - в течение 30 мин при 25°С. В первом случае использовались целые частицы жома, а во втором — измельченные со средним диаметром частиц с!ср = Змм и имеющие большую удельную поверхность контакта. •

Поскольку предельные значения т и / остаются постоянными с течением времени, то протекает ограниченное набухание лишь с поглощением жидкости полимером.

Объяснен процесс набухания сушеного свекловичного жома с позиций термодинамики.

Стадия гидратации характеризуется выделением теплоты, а осмотическая стадия обусловлена энтропийным эффектом.

В пятой главе приведен химический состав сырого и сушеного (табл.1) свекловичного жома.

Таблица 1

Химический состав сушеного свекловичного жома

Показатели Сухое вещество Пектиновые вещества Сырая клетчатка Безазотистый экстракт вещества Азотистые вещества Зола

% к массе сухих веществ 100 42,4 23,1 67,6 5,0 4,3

Из табл.1 видно, что по качественным показателям свекловичный жом пригоден для выработки из него пектина и пищевых волокон.

Результаты комплексной оценки безопасности жома представлены в табл.2.

Таблица 2

Анализ сушеного свекловичного жома на безопасность, мг/кг

Наименование показателя Содержание в пробе Значение по НД, не более

Нитриты 1,35 10

Нитраты 67 800

Ртуть 0,008 0,05

Мышьяк 0,04 0,5

Свинец 0,39 5

Кадмий 0,07 0,3

Медь 2,86 30

Цинк 10,46 50

Очевидна безопасность сушеного свекловичного жома для его дальнейшего промышленного использования.

Разработан способ подготовки свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон.

Предложенный способ позволит повысить пищевую безопасность за счет стабилизации цветности свекловичного жома раствором лимонной кислоты, являющейся пищевым реагентом; повысить выход пектина и пищевых волокон за счет включения в процесс подготовки свекловичного жома стадии его набухания; организовать безотходную технологию подготовки жома к производству пектина и пищевых волокон; расширить область применения конечных продуктов.

Предложены конструкции сушильных установок для жома и других дисперсных материалов. Так, универсальная установка (рис.13) позволяет повысить качество высушиваемого материала и надежность ее работы; интенсифицировать процесс сушки; организовать энерго- и ресурсосберегающую сушку в замкнутом цикле; исключить комкование влажного материала с момента его загрузки в сушильную камеру; высушивать материал в псевдоожиженном слое или в закрученном потоке,

используя в качестве теплоносителя нагретый воздух или перегретый пар атмосферного давления; не использовать калорифер для нагрева воздуха, поскольку теплоноситель нагревается главным образом за счет

2 - паровая рубашка; 3 - патрубок для слива конденсата; 4 - крышка; 5 - направляющий перфорированный конус; 6 — патрубок для подачи теплоносителя; 7 - патрубок для отработанного теплоносителя; 8 - газораспределительная решетка; 9 - разгрузочный патрубок; 10 - шлюзовый затвор; 11 — тангенциальные патрубки; 12 - рекуперативный теплообменник; 13 - ребра; 14 - трубопровод для подачи пара; 15 - отверстие; 16 - трубопровод для отвода конденсата из теплообменника; 17 - отстойник; 18 - стержни; 19 - приемный бункер; 20 - шнек; 21 - дезинтегратор; 22 - циклон; 23 - поверхностный конденсатор; 24 - сборник конденсата; 25 - вентилятор; 26 - парогенератор; 27 - компрессор; 28 - пароперегреватель; 29-36 - вентили

Разработана конструкция сушильной установки непрерывного действия, обеспечивающая как качественное псевдоожижение и сушку жома, так и интенсификацию процесса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1.Исследован процесс осветления свекловичного жома лимонной кислотой. Установлено, что наиболее светлым (55...57 усл. ед.) получался жом при массовой доле лимонной кислоты 0,08 ...0,09 % к массе жома и продолжительности контакта с раствором кислоты 38...40 мин.

Изучена кинетика процесса термолиза жома и выявлены три температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса. На основе исследований и анализа изотерм сорбции и десорбции

выполнена количественная оценка энергии связи влаги со свекловичным жомом, основанная на положении теории Поляни.

2.Установлены основные гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя свекловичного жома, позволяющие организовать качественное ожижение в процессе сушки жома.

Выявлены основные кинетические закономерности процесса сушки жома в псевдоожиженном слое. Обоснован выбор режимных параметров процесса сушки (/ = 115...120°С, V = 3...5 м/с).

Обоснована возможность интенсификации процесса сушки при совместном осевом и тангенциальном вводе теплоносителя в рабочую

камеру сушилки.

3.Построена математическая модель процесса сушки свекловичного жома в псевдоожиженном слое, позволяющая определить изменение параметров материала и теплоносителя в объеме слоя и равновесного влагосодержания материала в ходе процесса. Полученные аналитические решения адекватны экспериментальным данным.

Исследована кинетика процесса набухания сушеного свекловичного жома. Установлено, что жом набухает ограниченно, а обе стадии процесса - гидратация и осмотическая протекают одновременно вследствие неоднородности структуры материала. Дано термодинамическое

описание процесса.

4.Выполнена качественная оценка осветленного сушеного свекловичного жома как пектиносодержащего сырья. Установлена безопасность жома для его дальнейшего промышленного использования.

Разработанные способ подготовки свекловичного жома в технологии пектина и пищевых волокон, а также оригинальные конструкции сушильных аппаратов могут быть использованы на предприятиях сахарной промышленности и специализированных предприятиях.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а, Ь- коэффициенты уравнения изотермы десорбции влаги; С, С5 - концентрация водяного пара в объеме газа и концентрация насыщения при температуре материала, кг/м3; с, с„ с„ сп - удельные теплоемкости сухого материала, воды, сухого газа и водяного пара, Дж/(кг-К); Г =Р/М- удельная поверхность частиц, м7кг; у - удельный расход сухого газа, с ; К - коэффициент сушки, с ; к, к, - коэффициенты массо- и теплопередачи, м/с и Дж/кг; Т, Тг - температуры материала и газа в слое, К; Т№ Тт - начальная температура материала и температура входящего в слой газа, К; и, ир - текущее и равновесное влагосодержание (кг воды/кг сухого материала); х, х„ - влагосодержание газа; текущее и начальное (кг пара/кг сухого газа); а,Р - коэффициенты внешнего тепло- и массообмена, Вт/(м2-К),м/с; у - удельное газосодержание взвешенного слоя (кг сухого воздуха/кг сухого материала); р - плотность сухого материала, кг/м ; т, т*- текущее время и продолжительность 1-го периода, с; И-скорость сушки в 1-м периоде, с ; г- удельная теплота испарения, Дж/кг.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Шишацкий, Ю.И. Миграция экстрарента в пористую структуру растительной ткани [Текст] / Ю.И. Шишацкий, С.В. Лавров, С.Ю. Плюха, Е.И Голубятников // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. -№5. -С. 40-42.

2. Шишацкий, Ю.И. Техника сушки пекгиносодержащего сырья - свекловичного жома [Текст] / Ю.И. Шишацкий, Е.И Голубятников // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. -2011. -№1(32). -С. 391-402.

3. Шишацкий, Ю.И. Кинетика сушки свекловичного жома [Текст] / ЮЛ Шишацкий, Е.И. Голубятников // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, Воронеж, ВГУИТ-2012. -№2. -С. 21-23.

4. Шишацкий, Ю.И. Научное обоснование замены макрокинетической задачи микрокинетическим уровнем решения при моделировании процесса сушки дисперсных материалов в псевдоожиженном слое [Текст] / Ю.И Шишацкий, С.В. Лавров, Е.И Голубятников // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, Воронеж, ВГУИТ. -2012. -№4. -С. 59-61.

5. Шишацкий, Ю.И. Математическое описание процесса сушки свекловичного жома в псевдоожиженном слое [Текст] / Ю.И Шишацкий, Е.И. Голубятников, С.Ю. Плюха, Е.С. Бунин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И Вернадского, Тамбов. -2012. №4(42). -С. 56-61.

6. Шишацкий, Ю.И. Исследование форм связи влаги со свекловичным жомом методом неизотермического анализа [Текст] / Ю.И. Шишацкий, Е.С. Бунин, Е.И. Голубятников // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, Воронеж, ВГУИТ. -2013. -№1 (55). -С. 14-16.

7. Шишацкий, Ю.И Исследование процесса стабилизации цветности свекловичного жома [Текст] / Ю.И. Шишацкий, Е.С. Бунин, Е.И. Голубятников// Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, Воронеж, ВГУИТ. -2013. -№1 (55). -С. 38-41.

8. Голубятников, Е.И. Термодинамика процесса набухания сушеного свекловичного жома [Текст] / Е.И Голубятников, Е.С. Бунин, С.В. Лавров, Ю.И Шишацкий // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, Воронеж, ВГУИТ-2013. N1. -С 167-170.

Статьи и материалы конференций

9. Голубятников, Е.И. Ресурсосберегающая технологическая схема производства пектина ГГексг] / Е.И. Голубятников // Материалы XLVffl отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА за 2009 г.: ВЗч.: ч.2. Воронеж.гос.технол.акад. — Воронеж: ВГТА, 2010. -С.68.

10. Голубятников, Е.И Обоснование рационального способа сушки свекловичного жома как пекгиносодержащего сырья [Текст] / Е.И. Голубятников // Материал лы XIЛХ отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА за 2010 г.: ВЗч.: ч.2. Воронеж.гос.технол.акдд. -Воронеж: ВГТА 2011. -С.71.

11. Голубятников, Е.И Иотенсивная сушка-свекловичного жома для производства пектина [Текст] / Е.И. Голубятников // Материалы L отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2011г.: В Зч.: 4.2/. Воронеж гос. ун-т инж.технол. Воронеж ВГУИТ, 2012. -С.69-70.

12. Голубятников, ЕЛ Исследование процесса набухания сушеного свекловичного жома {Текст] / ЕЛ Голубятников, ЮЛ Шишацкий // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: В Зч.: 4.2/. Воронеж гос. ун-т инж. техно л. Воронеж ВГУИТ, 2012. -С. 115-117.

13. Голубятников, ЕЛ Подготовка свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон [Текст] / ЕЛ Голубятников, Е.С. Бунин, ЮЛ Шишацкий // Сборник докладов X Юбилейной международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». -Липецк, 2013. -с. 156-159.

14.Шишацкий, ЮЛ Энергия связи влаги с жомом как термодинамическая характеристика [Текст] / ЮЛ Шишацкий, Н.М. Дерканосова, ЕЛ Голубятников // Материалы П Международной научно-практической конференции посвященной 100-летию ВГУА и 20-летию образования факультета технологии и товароведения «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» - Воронеж ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ 2013. -41.-С.267-270.

15. Голубятников, ЕЛ Гидродинамика псевдоожижешюго слоя свекловичного жома [Текст] / ЕЛ Голубятников // Материалы П отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2012 г.: ВЗч.: ч.2. Воронеж гос. ун-т инж. технол. Воронеж ВГУИТ, 2012.-С.108.

Патенты и авторские свидетельства

16. Патент РФ на полезную модель № 131138 Российская Федерация, МПК7 Р26В 3/10, 17/10. Сушилка с псевдоожиженным слоем для дисперсных материалов [Текст] / Шишацкий ЮЛ, Бунин Е.С., Голубятников ЕЛ, Лавров С.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. универс. инж. технол. - № 2013111544/06; Заявлено 14.032013; Опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22.

Подписано в печать 10.10.2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 186

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

04201365998

ГОЛУБЯТНИКОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И НАБУХАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА В ТЕХНОЛОГИИ ПЕКТИНА И ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.И. Шишацкий

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 9

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНА И ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН 10

1.1. Характеристика свекловичного жома как объекта исследования 10

1.2. Теоретические и практические аспекты осветления, сушки и набухания сушеного жома 13

1.2.1. Осветление свекловичного жома 13

1.2.2. Сушка свекловичного жома 16

1.2.3. Набухание сушеного свекловичного жома 50

1.3. Анализ литературного обзора и задачи исследования 56 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСВЕТЛЕНИЯ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА И ЕГО СВОЙСТВ 59

2.1. Осветление жома 59

2.2. Плотность и усадка свекловичного жома 66

2.3. Исследование форм связи влаги со свекловичным жомом методом неизотермического анализа 69

2.4. Энергия связи влаги с жомом как термодинамическая характеристика 74

2.5. Выводы по главе 79 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ 80

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследования 80

3.2. Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя 82

3.3. Кинетика сушки в псевдоожиженном слое 90

ь

3.4. Математическое описание процесса сушки свекловичного жома в

псевдоожиженном слое 96

3.5. Выводы по главе 111

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА НАБУХАНИЯ СУШЕНОГО СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА 113

4.1. Состояние вопроса 113

4.2. Методика и результаты экспериментального исследования процесса набухания сушеного свекловичного жома 118

4.3. Обоснование целесообразности проведения процесса набухания жома 122

4.4. Термодинамическое объяснение процесса набухания сушеного свекловичного жома 124

4.5. Выводы по главе 126 ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 127

5.1. Оценка качества сушеного свекловичного жома как пектино-содержащего сырья 127

5.2. Разработка способа подготовки свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон, его рациональное аппаратурное оформление 128

5.3. Разработка способа сушки дисперсных материалов и установки

для его осуществления 133

5.4. Сушилка непрерывного действия с псевдоожиженным слоем для дисперсных материалов 138

5.5. Выводы по главе 140 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 141 ЛИТЕРАТУРА 143 ПРИЛОЖЕНИЯ 164

ВВЕДЕНИЕ

Одно из важнейших. направлений повышения эффективности современного производства - разработка малоотходных и безотходных технологий на базе использования вторичных сырьевых ресурсов.

Этим требованиям в значительной степени отвечает производство пектина и пищевых волокон (ПВ). Пектин - биологически ценный комплексо - и студнеобразователь из вторичных сырьевых ресурсов: свекловичного жома, яблочных, виноградных и цитрусовых выжимок, хлопковой створки и др. ПВ являются ценной пищевой добавкой, способной регулировать работу ряда органов и систем организма человека.

Одним из ценных видов промышленного сырья для производства пектинов и ПВ является свекловичный жом. При среднем выходе сахара 10.. .13 % свеклосахарное производство России дает к массе перерабатываемой свеклы 80... 83% сырого свекловичного жома. В физическом выражении при переработке 15 млн.т свеклы примерно 12 млн.т составляет свекловичный жом. Содержание пектиновых веществ в свекловичном жоме в зависимости от зоны возделывания колеблется от 20 до 45% на сухую массу.

Пектин, полученный из свеклы, обладает наилучшими комплексообразующими свойствами и как детоксицирующие природное вещество не имеет аналога в мире. В [55, 144] отмечается, что из всех видов пектина (яблочный, цитрусовый и свекловичный) комплексообразующая способность, то есть способность связывать металлы и выводить из организма ядовитые вещества и радионуклиды, у свекловичного пектина в три раза выше. Те же достоинства имеют ПВ [ 32, 33, 89, 133]. Никакой другой вид пектиносодержащего сырья не может конкурировать со свекловичным жомом по дешевизне.

Потребность в пектине значительно превышает объемы его

отечественного производства и закупок за рубежом. Выработка пектина на

4

предприятиях России, Молдовы и Украины до распада СССР составляла 350...400 т в год (0,20...0,22 % от потребности); 1,5...2,0 тыс.т ежегодно закупалось за рубежом [89]. В настоящее время ежегодная закупка в среднем составляет 3,0.. .3,5 тыс т.

Потребность населения РФ в ПВ достигает 1,2 млн. т в год [25, 30, 89]. Она частично (33...40%) удовлетворяется за счет муки грубого помола, зерна, овощей и фруктов. Существенную ее часть необходимо восполнять за счет выработки продуктов со специальным добавлением ПВ [60].

Очевидна полезность пектина и ПВ как компонентов пищи, а также их необходимость в ежедневном рационе питания человека.

Актуальность работы. Свекловичный жом, образующийся на сахарных заводах после диффузионного аппарата, содержит комплекс ценных питательных компонентов. Это пектиновые вещества, гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин и др. Поэтому жом является нужным побочным продуктом, из которого получают пектин и новые виды продукции, имеющие большой спрос [52,102, 180].

Научные основы производства пектина из сахарной и кормовой свеклы изложены в работах М.И. Барабанова, Т.К. Гапоненкова, С.А. Гликмана, JI.B. Донченко, И.П. Захарова, М.Я. Зуева, И.А. Ильиной, Н.С. Карповича, И.М. Литвака, М.И. Нахмановича, П.М. Силина, Л.Б. Сосновского и др. Существенный вклад в теорию и практику получения пищевых волокон внесен В.А. Лосевой.

Главными факторами, сдерживающими расширение объемов производства пектина и ПВ из свекловичного жома, являются сложность технологии и высокие требования, предъявляемые к наиболее важному этапу - подготовке сырья к основному производству.

Известные способы получения пектина и ПВ [52, 68, 74, 77, 82, 88, 122,

123, 125, 126, 193, 196, 198] в целом не решают названные выше проблемы.

Качество конечных продуктов не всегда хорошее.

В.А. Лосева полагает, что технологии производства сахара, пектина и ПВ

5

можно реализовать с использованием метода электрохимической активации [89].

Технология производства пектина и пищевых волокон включает в себя ряд процессов, среди которых особое место отводится подготовке сырья. В результате подготовки сырого свекловичного жома существенно улучшаются органолептические и физико-химические показатели конечных продуктов.

Таким образом, весьма актуальной задачей является научное и экспериментальное обоснование процессов подготовки свекловичного жома с целью улучшения качества и повышения выхода пектина и пищевых волокон. К таким подготовительным процессам относятся, в частности, осветление, его сушка и набухание.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры промышленной энергетики Воронежского государственного университета инженерных технологий на 2010-2015 гг. «Исследование процессов тепло- и массообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования» (№ гос. регистрации 01.1.302.15230).

Цель диссертационной работы: теоретическое и экспериментальное обоснование процессов осветления, сушки и набухания свекловичного жома для увеличения эффективности его подготовки к производству пектина и пищевых волокон.

Научная новизна. Экспериментально и математически обоснованы режимы, обеспечивающие максимальное осветление сырого свекловичного жома лимонной кислотой, а также место ее введения в технологический процесс.

Выявлены три температурные зоны, которые соответствуют испарению влаги из жома с различной формой связи, а также термическому разложению белково-углеводного комплекса.

На основе исследований и анализа изотерм сорбции и десорбции выполнена количественная оценка энергии связи влаги со свекловичным

жомом как термодинамической характеристики, не противоречащая потенциальной теории Поляни.

Установлены основные гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя свекловичного жома, позволяющие организовать качественное псевдоожижение в процессе сушки.

Выявлены кинетические закономерности процесса сушки жома в псевдоожиженном слое; теоретически и экспериментально обоснована возможность интенсификации сушки при совместном осевом и тангенциальном вводе теплоносителя в рабочую камеру сушилки, а также энергоэффективности процесса.

Построена математическая модель процесса сушки свекловичного жома в псевдоожиженном слое, описывающая изменение параметров материала и теплоносителя в объеме слоя, а также равновесного влагосодержания материала в ходе процесса.

Установлены кинетические закономерности процесса набухания сушеного свекловичного жома, дано термодинамическое объяснение процесса.

Практическая ценность. Исследованы химические показатели качества сырого и сушеного свекловичного жома.

Разработан способ подготовки свекловичного жома к производству пектина и пищевых волокон, выполнено рациональное аппаратурное оформление способа.

Разработаны оригинальные конструкции сушилок с псевдоожиженным слоем.

Предложено программное обеспечение процесса сушки жома; определены рациональные параметры процесса, позволяющие повысить качество продукта.

Новизна технических решений защищена патентом РФ на полезную модель № 131138.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (ранее ВГТА) (с 2010 по 2013 гг.); на международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012); на Юбилейной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2013); на II Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию ВГАУ и 20-летию образования факультета технологии и товароведения «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» (Воронеж, 2013).

Результаты работы также демонстрировались на межрегиональной выставке: «Воронежский АПК сегодня (в честь 100-летия ВГАУ)» (Воронеж, 15 сентября 2012 г.), по итогам которой работа награждена 3 дипломами.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а,Ъ - коэффициенты уравнения изотермы десорбции влаги; с, св, сг, сп - удельные теплоемкости сухого материала, воды, сухого газа и водяного пара, Дж/(кг-К);

л

/ =Г/М— удельная поверхность частиц, м /кг; у - удельный расход сухого газа, с"1; К - коэффициент сушки, с"1;

к, кг-коэффициенты массо- и теплопередачи, м/с и Дж/кг; Т, ТГ - температуры материала и газа в слое, К;

ТГН - начальная температура материала и температура входящего в слой газа, К;

и, ир — текущее и равновесное влагосодержание (кг воды/кг сухого материала);

х, х„ - влагосодержание газа: текущее и начальное (кг пара/кг сухого газа);

л

а - коэффициент внешнего теплообмена, Вт/(м -К);

у - удельное газосодержание взвешенного слоя (кг сухого воздуха/кг сухого материала);

р - плотность сухого материала, кг/м3;

т, г* - текущее время и продолжительность 1-го периода, с.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНА И ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН

1.1 Характеристика свекловичного жома как объекта исследования

Свежий жом, выходящий из диффузионного аппарата, прессуют для скармливания скоту в сыром виде или высушивают с целью производства комбикормов, выработки пектина и пищевых волокон, а также других продуктов.

Классификация примерных границ обезвоживания жома приведена на рис.1.1 [55, 56, 58, 89, 153].

Рис.1.1. Примерные границы обезвоживания свекловичного жома при различных способах его обработки

Кроме жома образуется 5.4% мелассы, 12% фильтрационного осадка,

15% транспортерно-моечного осадка, 1.4% отсева известнякового камня, до

350 % сточных вод и около 3% свекловичного «боя» и хвостиков. Все

перечисленное относится к вторичным сырьевым ресурсам и отходам [143].

Содержание пектиновых веществ в свекловичном жоме в зависимости

от зоны возделывания колеблется от 20 до 30 % на воздушно-сухую массу.

При этом пектиновых веществ больше в тех тканях, где меньше сахара, и

наоборот [115, 160]. Особенностью свекловичного сырья является то, что

содержание протопектина в нем достигает 95...98 % суммы пектиновых

10

веществ. Этим объясняются технологические параметры извлечения целевого компонента. В свекловичном жоме сухие вещества представлены в основном пектином (полисахарид, образованный остатками, главным образом, галактуроновой кислоты), а также пищевыми волокнами (ПВ) (комплекс биополимеров) [20]. Свекловичный жом является капиллярнопористым коллоидным делом. По своей природе и структуре он представляет сложную систему. Поскольку сырой свекловичный жом полностью не используется на кормовые цели, его необходимо консервировать, то есть высушивать. Научная информация о жоме как объекте сушки в определенной мере систематизирована в монографии А.В. Дранникова, а также приведены новые данные, полученные автором [55, 58,71,116, 149,175]

Так, М.Г. Парфенопуло исследовал теплофизические свойства свекловичного жома. Определены значения коэффициентов теплоемкости (с), температуропроводности (а), и теплопроводности (Я) в широком интервале измерения влажности и температуры материала:

при uv<4.25 c=2116+112.34v, (1.1)

при 4.25< uv <6.0 с= -598+762 uv, (1.2)

при uv <2.9 Я = 0.349 + 0.0726uv, (1.3)

при 2.9<uv<6.0/1=0.683-0.0421 uv , (1.4)

где с0, Дж/(кг-К); Я, Вт/(м-К); иу - усредненное по объему влагосодержание материала, кг влаги/кг сухого вещества.

Предложены формулы для расчета коэффициентов диффузии и термодиффузии влаги в жоме:

Б=4.63 * 10"8+2.37"6 и у, (1.5)

д = 0.072[1 - (1 - 0.465и у )2 ] (1.6)

полученные В.М. Хариным и Г.В. Агафоновым [160] путем аппроксимации

л

экспериментальных данных [117]. В (1.5) Б имеет размерность м /с, а в (1.6) 8-1/К. Графические выражения формул (1.5) и (1.6) имеют вид

Рис 1.2. Зависимость 0(иу) для свекловичного жома; расчет по формуле (1.5), точки - экспериментальные данные [117]

Рис 1.3. Зависимость 5(uv) для свекловичного жома; расчет по формуле (1.6), точки - экспериментальные данные [117]

Экстраполяцией экспериментальных данных [117] авторами [160] получена приближенная формула для расчета равновесного гигроскопического влогосодержания жома в среде водяного пара ups:

ups=us- A(TV-TS), (1.7)

где us - равновесное влагосодержание материала в кипящей жидкости в сухом насыщенном паре, us=0.15; Д - коэффициент температурной зависимости равновесного гигроскопического влагосодержания материала, К~\ Tv - температура, усредненная по объему тела, К; Ts - температура насыщенного пара при данном давлении, К.

В [160] принимается приближенно величина равновесного влагосодержания жома в кипящей воде при атмосферном давлении и=Ъ, а коэффициент проницаемости для жома сп™ 10"14 м1.

1.2. Теоретические и практические аспекты осветления, сушки и набухания сушеного жома

1.2.1. Осветление свекловичного жома

Технология выделения пищевых волокон из сахарной свеклы разобрана В.А. Лосевой [88]. Автор отмечает, что на этапе измельчения хвостиков и боя до частиц 0.2..2.0 мм(после их тщательной мойки) наблюдается потемнение массы. Источником образования красящих веществ (меланинов) являются фенольные соединения свеклы, которые подвергаются биохимическому окислению под действием ферментов.

В качестве ингибирующих реагентов использовались соединения серы ЫагБгОз и ЫагБОз, перекись водорода, а также аскорбиновая кислота [31,141]. Был сделан выбор в пользу соединений серы. Установлено [88], что при введении КагБгОз с массовой долей 0,020...0,025% к свекловичной массе в момент измельчения боя и хвостиков сахарной свеклы белизна ПВ составила 80..82 ед.пр., а в случае ввода его после измельчения -60..62 ед.пр.

Выполненное исследование позволило автору предложить аппаратурно-технологическую схему получения пищевых волокон из боя и хвостиков сахарной свеклы, в которой после вибрационной машины свекло-массу подают в дробилку. В последнюю вводится ИагЭгОз через форсунки таким образом, что вся поверхность свекломассы омачивается ингибирующим реагентом.

Изученный процесс описывается уравнением регрессии

У = 63,4 -1 иг, - 2,48Х2 - 9,8*з " Ъ$ХхХ2 - . 1 ^

- 2,75Х2Х, + 0,75ЛГ,Х3-8,58*12 - 8,67** - 2,1 \Х\ '

где X] - массовая доля реагента, % к свекловичной массе; Х2 - температура воды; С; ^—длительность обработки свекломассы горячей водой, мин.

Определенны оптимальные параметры, обеспечивающие наиболее светлые ПВ: Х;=0,01..0,2; Х2=55..65С, Х3=5.Л5 мин.

Рассмотрим исследование, выполненное В.А.�