автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научные основы интенсификации процессов гигротермической обработки продуктов питания

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ,ВНСШЕЙ ШКОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ

ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМШШЕННОСТИ

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. N О.Ъ

КУРЕАНОВ Жамшед Кадаидович

УДК 621.577-001.375

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

Специальность 05.18.12 -Процессы, магпина и агрегатн

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

;,50СлЗА. 1952 г.

Работа выполнена в Ташкентском химике - технологическом институте. Самаркандском кооперативном институте и Московском технологическом институте пищевой , промкшле{ шости.

Научный консультант; доктор технических наук, профессор А.А.АРГЙКОВ.

Официальное оппонента:

доктор технических наук, профессор В.Е.Бабенхо;

доктор технических наук, профессор И.Н.Дорохов;

Заслуженный деятель науки и техники Украина, академик Академии технической кибернетики Украина, доктор технических наук, профессор А.В.Володарский.

Ведущая организация; СредаэШШШпищепром.

• Зашита состоится " " ¿Ж 1993 г.

• в //г час на заседании специаливироа^йнЬго Совета Д 063.51.05 при Московском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11. С диссертацией можно ознакомиться^ в библиотеке МТИПП. Лйторефер&т разослан м&ЯшА 1992 г.

, Ученный секретарь специализированного Совета кандидат технических наук,доцент БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТтЮТКНЛ РАВОТЦ. -АКТУАЛЬНОСТЬ РЛЕОТЫ. Для стабильного иаращгоакия ррсурооп юдовольсгвия должны быть обеспечены рос? производства продукте пиарной промышленности, повышение качества и питательной ЖНОСТН продуктов питания; С ЭТОЙ Ц9ЛЬЯ в народное хозяйство >_шш Енедрдться принципиально новые технологические процесса, гаБОляк-нчив многократно повисите производительность труда и эф-¡гаивность использования ресурсов,а тега® снизить зкерго- и ма->риалоек«ость производства

Одним из основных технологических процессов в пищэвой про-шшенности является гигротершческая обработка продуктов пита-1я. На основе традиционных методов пигротормической обработки одуктов питания все труднее становится достичь значительного фекта при совершенствовании процессов производства, так как их 13ШЖН0СТИ в ряде' случаев ужэ исчерпаны. ГЬ этому в последнее емя интенсивно проводятся широкие научные ксслэдования,базируйся на методологии системного анализа и, и частности,исследо- ' «и« по эффективному . испольвованию электрофизических датодов я повышения эффективности процессов гигротермичесгай обраСот-[. В этом плане переспектнвно использование энергии электромаг-ягного поля сверхвысокого (СВЧ) и инфракрасного (ЙК) диапазонов. Диссертационная работа посвящена интенсификации прсцассов гротермической обработки продуктов питаний ( на примере выпеч-: хлебобулочных и супки ыакарокных изделий) и разработка' высо-эффективных аппаратов с использованием СВЧ и ИК штодов знар-подвода.

Исследования, представленные в работе, связаны с основными правлениями НИР СКИ по целевой коюыексяой программа РКГО Увпищепром" " Интенсификация тешюшссообменпых процессов пи-вой промышленности" (М Гос. регистрации- 0094967), в также , комплексной1 программой " Продовольствие". •

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Разработка научных основ интенсификации гигротермяческой работки продуктов' питания, вкяючашлх системный аналиа пробой биотехнологии и тепломассообмена яри воздействии я» элек-эмагнитных СВЧ и Щ полей и обобпрнныз математические модели, ляюдиеся основой рационализации и интейсяфицикации процесса зоздания высокоэффективных аппаратов.

- £ -

Достижение поставленных далей шзвахо необходимость регония следующих . задач: применение методологии, системного анализа к исследованию свойств воды в капиллярно-пористых коллоидных материалах; разработка структурных схем по многоуровневой иерархии гигротермической обработки продуктов питания и проведение соответствующего смыслового анализа; создание математических моделей оптимизация режимов м разработка инженерных методов расчета процессов к аппаратов, определение хшико -физико-механических характеристик, продуктов питания, исследование процессов сушки и выпечки изделий иэ пиеничкого теста.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Разработаны основные теоретические положения интенсификации процессов гигротермической обработки продуктов питания, включающие системный анализ на 8 уровнях иерархии процессов биотехнологии и тепломассообмена при воздействии на продукты электромагнитных полей СВЧ и ИК диапазонов с использованием методов математического моделирования. • .

РазработаныЪбобщэнные математические модели биотехнологических и тепломассообманных процессов, положите в основуоптими-вации выпечки теста - лепешки и сушки макаронных изделий в ¡электромагнитных полях СВЧ и ИК диапазонов. Получены дифференциальные уравнения изменения структурно-механических .свойств капиллярно-пористых коллоидных материалов в процессах сушки и выпечки.

Разработан« методы.. определения ТФХ и усадочных характеристик теста Определены теплофизические, структурно - ыехани-,ческие, электрофизические, гигроскопические, термогравиметрические характеристики теста- лепешки и лагманного полуфабриката, а такяэ определена удельная поверхность, пор мякиша лепешки.

Разработаны программы расчета ка ЭВМ рациональных технологических1 режимов процессов выпечки теста-лепешки и алгирктц управления процессом сушки макаронных изделий. Установлено влияние и определены значения плотности потоков электромагнитного излучения в процессах СВЧ, СВЧ-конвективной, ИК-вакуумной, суш« макаронных изделий и в процессах СВЧ, ИК, СВЧ-ИК, ИК-СВЧ-ИК выпечки теста -лепешки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Рациональные редимн процессов выпечки- теста - лепешки и :уши лаг'манного полуфабриката, лаппм и вермишели при СВЧ й ИК ютода энергоподвода

}.<етодкки расчета , алгоритмы и программы расчетов биотехко-югических и теяломассообмоиных процессов гнгротермичЕсгай обра-!0т:ш продуктов питания и СЕЧ установок.

Технология выпечки теста-лепешки, и сушки макаронных изделий [ технические решения по реализации . рациональных ретов провесов гигротермнческой обработки, загдащэнкые 12 авторскими сви-1етельствами.

Приборы, и установки для научных исследований процессов гиг-отермичееюой обрабоим продуктов' питания, защипанные 3 ав-орскими свидетельствами.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЕ . '

Разработаны и созданы приборы для определения капиллярного авления в процессе сушки, датчик температуры, установка для оп-еделения усадочных характеристик и стенд для определения струк-урно- механических характеристик пивевых продуктов, которые недрены в учебных и научных лабораториях СМ, ТаиХГИ, ЫТИПП.

Автоматизированная система для исслэдовздия теплофязкческих арактеристик продуктов.внедрена в НПО "ИРЕА". Методика инженер-ого расчета СВД-сушшог применена при проектировании и .создании ВЧ-суаилки ВЧД 19-60/915. Фактический зкошжический эффект от недрения в народном хозайстве составил 4,22 шш.руб.

Разработаны хлебопекарная СВЧ-Ж печь периодического . дейс-вия, лабораторная обварочная печь непрерывного действия, уста-эвка для ИК - обработки пилэвых продуктов, хлебопекарная печь пя узбекских лепешек, маамна для формования узбекских лепешек, яебопекарная ИК-СВЧ-ИК печь , камерная СВЧ -конвективная сукш-1, барабанная сушилка Непрерывного действия.

Хлебопекарная СЕЧ-ЙК печь периодического действия, хлебопе-1рная ЯК-печь непрерывного действия, мшиога для фсрмования уз-гкских лепешек, барабанная СВЧ-конвективная сушилка непрерывно-з действия рекомендованы к широкому внедрении Техническим Сове-зм "Узбекбирляшу" республики Узбекистан.

Болучйннке в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований и сформулированные научные положения используются в исследовательских • работах. кафед{ СКИ, ТаиХГЙ, отраслевых НИИ, а также в учебном процессе.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЕ

Основные положения диссертационной работы докладывались не Всесоюзных научно-технических конференциях (г. Саратов, 1980 г., г. Шсква, 1530 г. ,1985 г., 1986 г., 1939 г. ,г. 'Харьков, 1984 г,) международной конференции ( Г.Дрезден, ГДР, 1981 г.) и форуме пс тепломассообмену (г. Шкск, 1983 г.), а также на научнотехничес-ких конференциях к семинарах (г. Шсква, МХИПП, 1980 - 1989 г. г 1991 г., 1952 г., г. Самарканд, СЙЙ, 1978 - 1989 г.г, г. Ташкент ТашЗСШ, 1389-1992 г. г.) и на Техническом Совете "Узбекбирляшу" республики Узбекистан.

ПУБЛИКАЦИЯ. ТЬ ссдеркааию диссертации опубликовано 74 науч кда работы, в. том числе 7 отдельных изданий, получено 15 автор ских свидетельств на изобретения,

ОБЪЕМ ДКССЕРТАДКЛ Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов* списка литературы ( 280 наименований) и приложнйй, содержащих справки об экономической эффективности и-, акты испытания и внедрения результатов работы. Основной текст диссертации изложен на -5га страницах, включая 68 рисунков и 31 таблицу,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ

Во ВВЕДШИЙ обоснована актуальность работы, сформулированы цеди и задачи исследований, их научная новизна и практическая ¡значимость.

Автор выражает глубокую благодарность своему учителю, заслу »энному деятелю науки и техники РСЗСР, доктору технических наук профессору Гинзбургу А. О.

' 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЖДОВАНИЯ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ШГГАЮШ.

Анализ развития проблемы гигротермической обработки продуктов цитация в процессах сушки, выпечки, увлажнения,кондиционирования и др. показал, 'что в этой области широко испольвуотся методы смежных наук - математики, физики, фиэика-хиши, а также методы кибернетики - системный анализ, алгоритмизация, моделирование и др,

I-!B0Bf«i 'I.le6CÏ!I14IHl!t T Сга«!«к H

ftx Стае«; Tcaîc;ccr«ai . . . ш vat35iisäl ! üatMM

ИЧеНШ oStJíicsíb^ ! «ti • ! .t.:.

3»6и

ICSOtrSÜ'lSM tri . ¡cwrótisííüj «

I $ОркОИШ ï'Ctl

CtpjtTjpa гакиг."«ск4 яда

Устг?еш jM cfm (еяеш)

Уедает :«» иикегиг s

5-MOBHI Ггемги««« îatunctnin раичега «»m шит 06K« TíIMSOt I ÜSJStS SltíüiJ Sbtptíl ¡ UtläHiTOCW» JütfrtJ ?TC4!»H! BfCCírns i¿iScvtí tiíípi

a toso-I » кпчтм fl|í- ¡ ШрГСПШОИ p«C!3S «t i ptcicí H tpatctíipt. fttfí«»t«!iit

Pic 1. Сгрнтшзаии кмрш ncmi «ccmjcims« юпееем nrpartfmectôi oifäiotn.,

„ . taSniaa 1

tpmgww «twwacm cüCTHaer« awam i «cJMmaani teoicrs gom e iMnoniao-raiiEMipjo-iisprcTiij raai

iiK«i!Ma«|tiei»

«freu !rpo IKSiSMilMtliflM

bejstfrue hhütsiitoi-C5CC>«»J IS«IM'«M tcdi-lm

'«FSHnv'!

¡¡«■ürrtnec! i ?.(■ petf.SK

33"K-.trS!>-t!Pie. Sä!?!««

csnijac-

liTCÜ «Uli SUMM I tuetpjtfp

l&ucckiuuii) im ct«3H bmt« c ia;»ea« (so was. B.ä.PiSzsaspy!

ttoasumc* -------,--:-,-,--—

Ki jtcsiak iocta I raee« nanu I isthmi- jtciimm jccjtsoiänä cetai ! jasioi ¡3;- , bccti , iajjSKS«

:wät« fssiii «i cid» ! (aattirsa) cbjsh

------CSäS«

P«t- IP'Ff

r»S35- r»JC-TU! 'TiSH-

t?n u

Ciiicea«««-II!

tonne

ixtcm

um: !ui.

IDiCpl-»TOntcn« i

MJIM*

■erptwcue

tesiojjsa-

»mectif

s:cs!M№

•ÄCCMJrtWKl StPK I flö-

T(MJ-

6*J. CBil

n-

s?-

tuet. TO*

>nsm CtfSHJp

f.CCCjSSi-cssh

siarcria-

catKi

MOSOItlO

T«0 I eäsic-«mina

1 1 1

¡»«MM

wnui

'(cum C«an-8 1 wiai sassre kKtBO

ro

«SMM J!»äHI CODI-1 S0M-! ■Kl)

PacTBOS'Süf

B

3K atc::5:!a KM ¡rolnv-sa«a. »ciaii

Crm-ijfi«

3 «1109-K43K-

r.ipst

icctfM» ir.Sri

KsSfpareiiia» m. «sei

CiOKIKJ

OSpiaosaiie

PtCR

lÜCriICSääl?1 ¡Hr«.üpiT.8l ! «sensai!. :«c»l Hi.C6t!M.«|

tauin coto-

»ji.ibchcc.

B9TB

1cm. stau «3 «jaiBoro so3-jiji.JtJW j!"

taBHCTBtBiM MjeiEccwBe-»l!l

I

5 is'oo-

ijarj«-

»npai

ip'sos'fftcnes ?>■» ccbciiocio t-sff '

Hmi

______________ lern»

cttMU.iKti wc-

riSJJiii. » MS C-'ü-'l.

C JB!? Eilt» 5 8«r CJCtJ.

«aK&omam. B MCSttSt

aiCäfäU. ?

elantan;

BS« »w ittot BÜCTBiSM« tOlipTOCMBi' Sil c tostps

!sse ic*j

175- icüein »P-

m Uoneit?« e ixen,

ciio bi'SE« sc! ¡¡SEiJI.

Bor.slHosny.1 iihmjiz Isosep!-

.jascTlt

smofjfecsoi caiJMZ!

sosa aaist' ntittm tat oSaas.cipjS-rei»

laimieio« {acsciie oitcjoi. t:jtH3icl

ttitgnecti «jSjoch

{torivTiii

KMCI)

HtoSpantu

Tpjfiso-iSpjTHan

Cijaraiä«

CiaSa ai:j:i (39 CEÄ3b

isepjuaaaii

imiepi. «es«. 10«-«cnnyssiss) es:) a«ai ajctp6sn8io

iH.cs ro 10» (c.isa J CT!ä3I ' CBssai

mcossuom«

To le

ÜOHtHOCt-10t SST!::-ii; tacaiTtp ;pun c«an-■ai.

Iii. C!5JV sore'caoi

7 ct'hok !8«JM U-, ;0t5C»C!M)

101 e

ftiaan. ««ecjasr.Bimi tc aet 1 m-Btpi. ie«a,, ciMb.aicopS ski.

Hcaaptaa«

Euopimi

5s3. »a-ccpSm«

BjarooHi-ik, ojtajo Baue 66nee ieaa.pacTso pa ei« KKKl

Zaaaeiüt, cinti; ,8.1a ri/rwtiia

«asyia. cipratyp»

laEMü«

Itnut. 1« tamuitio« fcnapesi^

laE.iüa« 6C!IK, '«» MllS-IIOidf

icnjjniö

hm.

CCSKCi, pC!!f»«»t)

»

В диссертации методология системного анализа применена при исследовании свойств води в коллоидных капиллярно - пористых материалах и обосновании эффективности электрофизического метода воздействия на пищевые продукты.

Процессы гигротермичес.лй обработки рассмотрены на восьми уровнях иерархии применительно к процессам сушки макаронных изделий и выпечки хлеба (рис. 1).

Используя классификацию форм связи влаги в материалах П. А. Ребиндера с дополнениями Е. Д. Казакова и характеристики спектра электромагнитных волн, составлена таблица применения методологии системного анализа к исследованию свойств воды во влажных материалах ( табл.1), при этом энергетические характеристики молекулы воды сопоставлены с соответствующими характеристиками 5Ш различного диапазона - микроволнового (СВЧ), И К и УФ диапазона (табл. 2).

таблица 2.

в а----1Г а--г-

8 Энергетическая микро-| ИК-излу УФ-излу-|Рент- ¡1

З характеристика води, эВ к водац | 1 чение чение ¡ген . 1 5 я

1 Энергия нулевого колебания 1 0,575 8

( Энергия электрой. возбужден. I 10,0 ! 8

8 Ионизационный потенциал 1 12,6-18,0 1

I Энергия диссоциации 1 Б, 11-4,41 1

{ Энергия врадател, переходов I 0,005 I 1

I Энергия юшшх колеб.'переход. 1 0,198 1

1 Измен, внутр. анерг. при 100°С 1 0,39 1

I Изменение внутренней энергии 1 8

| при фаговом переходе I ..... 0,000831 ,,......... 1 1 , , ..........■ 8

Наиболее эффективными для интенсификации процессов гигротер-иической обработки является ИК и СВЧ диапазоны ЭМП

2. СИСТШШ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ГЖТОГЕРШГЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ. Одними из основных процессов гигрстерыической обработки продуктов питания являются процессы сушки и выпечки пшдевых продуктов. Анализ характеристик этих процессов на первых трех уровнях

- е -

иерархии показал .что оба процесса являются специфическими вариантами прогрева влажного материала и отличаются друг от друга различными целями и значением влажности поверхности (зоны) испарения, причем,- в отличие от сушки,в процессе выпечки происходит изменение вида и анергии связи влаги с материалом.

Обобщив многочисленные экспериментальные данные, полученные за последние годы по выпечке хлебобулочных и сушке макаронных изделий, рассчитан параметр (С), характеризующий скорость нагревания поверхности продукта при выпечке: он колеблется от 4,95 до 68,58 К/с а, в.процессе сушки от 0,42 до 2,4 К/с . Установлено , что можно рассматривать процесс сушки1как интенсивный, а выпэчКй как высокоинтенсивный процесс гигротермической обработки пищевых продуктов.

Смысловой анализ на атомарно-молекулярном уровне, проведенный на основе данных А. И Опарина, й П. Ковьминой,' Л. Я Ауэрмана, В. Л. Кретовича, ЛИ. Пучковой, Р. Р. Токаревой, К. Н. Чижовой и др. дал возможность раскрыть структуру связей между отдельными физико - химическими эффектами в процессе высокоинтенсивной гигротермической обработки (рис.2).

При высокоинтенсивном процессе происходят физико - химические и биохимические процессы: денатурация белка , декстрини- • зация крахмала , карамелизацкя сахара , реакция меланоидинообра-вования , деструкция аминокислот белка и др. способствующие образованию цвета, .аромата и запаха .

Главную роль во взаимосвязи отдельных явлений играют молекулы воды. Поэтому в работе рассматриваются взаимосвязи молекул воды с сухим веществом, как составной частью структурной схемы первого уровня иерархии. Ши этом обращено внимание на уникальность структуры и свойств молекулы воды, сказывающей сопротивление внешним разрушающим воздействиям и являющихся определяющими В процессах гигротермической обработки. В частности, рассмотрено взаимодействие молекулы воды с белками, углеводами, фосфолипидами и анионами минералов. При этом показана преобладающая роль водородных свяаей.

При рассмотрении эффектов в масштабе надмолекулярных или глобулярных структур показаны особенности поведения молекулярных группировок воды в процессах гидролиза крахмала , набухания крахмальных верен, набухания белков клейковины , образования губ-

чатого каркаса г др.

Анализ взаимодействия молекулярных группировок воды с сухим веществом выявил существование трех видов радиальной функции распределения- составляющих молекулы воды, которые способствует образованию мономолекулярного и полимолекулярного слоев, существование которых подтверждается таете экспериментально лолученны-- ми кривнми сорбции и дериватограммами.

По результатам исследования на Ш-уровне иерархии физико -химических, межфазных знерго- и массообменных явлений, происходящих в высоко- и интенсивных процессах раскрыто взаимодействие отдельных эффектов (рис. 3.)

В процессах гигротермообработки происходит одновременно два явления: перенос массы (ПМ) и перенос энергии (ПЭ). Основными движущими силами переноса теплоты и влаги являются градиенты температуры , влагосодержания (^И) и давления (^Р) ■ В результате переноса массы и энергии изменяются поверхностные напряжения (уб), а несоответствие между количеством влаги, поступающей из внутренных слоев и внешним массообменом приводит к углублению зоны испарения (УЗИ). В структурной схеме Ш-уровня иерархии каждый вид неравномерности обусловливает перенос соответствующей субстанции я одновременно оказывает перекрестное (косвенное) влияние на перенос других субстанций . Результирующим эффектом структурной схеш этого уровня является деформация тела (Дефор.), которая может быть различной в зависимости от его влагосодержа-ния и температуры.

Эффектом четвертого уровня иерархии является образование пограничного слоя над объектом сушки и выпечки, связанного с соответйтвущими полями парциального давления пара, температуры и скорости теплоносителя' , на которые непосредственное влияние оказывает, с одной стороны, формирование определенной топологии потоков в масштабе установки , полей концентрации и температуры и, с другой стороны, указанные выше эффекты 111- уровня иерархии в масштабе установки в целом.

Исходным фактором, определяющим специфику эффектов пятого уровня иерархии, служат конструктивные особенности установки . Они характеризуются подводом внешней энергии ,т. е. механическим перемешиванием и транспортированием , обменом (отводом или подводом) энергии и входными потоками (концентрационными или тепло-

• - И -

таблица - 3

Основные уравнения второго молекулярного, глобулярного н ([пдглооу.лярипго урог.нг? игчмшдоппиия процесса пмиочки.

Пер иод При темпе рат.'С Про дол мин Наименов. процессов Основные уравнения

Набухание белков и

1 30-БО 6-8 крахмала Ферменгат осахарив. крахмала Спиртовое брожение. 1 +о,оооэг. О В -Д.КР.'СиС!-»

II 60-80 4-6 Гидролйз крахмала. Клейсте- ригация крахмала Денатурация белка Инактивац фермента <?»««йт-йна/г,о*; ...... СК*'вме1-1 -Вкя/К,; йт» + С<и(-Се -&„„,;

III 80 -120 6-8 Карамели-1 зация Сахаров. Реакция мелано-идино-обрааов. (Майяра) л _ • Смостг-1 иост| иЛноспч-йТ+ймс*»,. л Сдсах * См.сах«* | О««,« ■ + ад,««, СщчЧ »(вчп» - вмоп|)*(Следа- Сало») . я Се«( • 1 8о<г' " 1М<*г-1ЛТ+0со* 0.дк1 --.............. Ц* бд^ЛТЧбд* С»»< « < йгч. -&0СГ.) * (Сдк - Сдк.) |

- 12 -

выми) исходных реагентов в процессе гиг рот е рмоо б работ ¡си.

Акали? литературных данных в области интенсификации процессов сушки и выпечки тестовых изделий показал, что ранее интенсификация процессов производилась за счет изменений 17 Т и или уР. а влияние уСГ рассматривалось отдельно. В результате смыслового анализа по уровням иерархии показана возможность увязать указанные градиенты у Т, уи, 7Р, при исследовании комбинированных способов обработки при ИК и СВЧ энергоподводе.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИГРОТЕРМИ-ЧЕСЖОЛ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ШТАНИН.

Центральным уравнением в блок -схеме математической модели, состоящей из 6 основных уравнений, является потенциал №окМаера, характеризующий межмолекулярпое взаимодействие полярных молекул, каковым являются молекулы НгО, СОг, СО и др. Для оценки параметров потенциала использовались такие характеристики вещества, как температура кипения, молярный объем ладкости, плотность, а также фактор сложности взаимодействия и др. При составлении общей математической модели по второму молекулярному, глобулярному и надглобулярному уровню были использованы уравнения Гибсса, Скельмана, а также работы К. П. Козьмшой, В. И. Маклшова, Ф. Д. Козлова, а К Остапчука, А. А. Артикова и др. ( табл. 3).

Процесс выпечки разделен на три периода: первый период -переменной, возрастающей скорости влагоотдачи, когда влажность изделия уменьшается незначительно и образование корки в определенной мере происходит за счет перемещения влаги внутрь изделия, второй и третий периоды - постоянной скорости влагоотдачи, когда влажность уменьшается с постоянной скоростью за счет испарения при углублении зоны испарения.

Б работе представлена бюк - схема тепло- и влагопереноса в процессе выпечки теста-лепешки дли первого периода Указано, что при учете массообмена за счет частичного или полного переноса влаги в виде пара, используется введенный А. В. Лыковьш критерий фазового превращения,характеризующий относительное изменение потока вещества (влаги) за счет фазового превращения С внутреннего испарения или конденсации).

Целесообразно указать, что для ИК и СВЧ нагрева центральное уравнение в блок- схеме заменяется уравнением тепломассообмена,

предложенным И.А.Роговш и С. В. Некрутманом , а при учете терью-радиациолных и оптических характеристик теста-лепешки использованы граничные условия С.Р.Ильясова и ЕЕКрасникова.

При разработке математического описания изменения структурно-механических характеристик теста-лепешки принято, что тесто-лепешки в процессе выпечки ведет себя в первый период как пластично-вязкое тело -Шведова-Бингама, а во второй- как упруго-пластично- вязкое -тело Бингама. На основе комбинации указанных идеальных моделей и преобразования системы дифференциальных уравнений получено следующее дифференциальное уравнение изменения структурно-механических свойств капиллярно - пористых коллоидных материалов в процессе выпечки:

de____1 ill . п (g-g«») ...

ач ~ щ. а*с * Ч

где. £- деформация;С,вда-нориалькое и предельное напряжения; ' £- модуль упругости; Ц - эффективная вязкость;

Учитывая изменение структурно-механических свойств теста в ■ процессе сушки и рассматривая объект на разных стадиях сушки как вязко-пластическое, вязко-пластично-упругое и упругое тело, получено дифференциальное уравнение:

где:Т» - время релаксации; . .

Установлено, что если при выпечке GT-ffp- const, тоd^/eft 'О и уравнение (1) примет вид модели Шведова - Бингама, а его решение определяет деформации тела в любой момент времени при постоянном касательном напряжении:

«»Со-*S/q >((з*-9ю)-Х (3)

.. . Если образование структуры теста - лепешки происходит при постоянном значении деформации £-const, т.е. за счет развития внутренних касательных напряжений, то тогда решение определяет напряжение тела в любой момент t, при фиксированных Е и^:

<5 » Овеаф( - «Т) / (4)

Если скорость развития деформации в процессе выпечки пойтоян-ка (0£/dT«a »const), то решение уравнения представляется Ь виде!

г - -гЕМ-т

((Г = <т»+А + [(б» -Скр) -а] - е (5)

где: Д » ^/2 »а

Для второго периода задача угтрошдется, т. к. выпечка происходит при постоянной скорости влагоотдачи и внутренний перенос практически отсутствует.

Структурные схемы полных математических моделей процессов выпечки теста-лепешки и сутки лагманного полуфабриката, 'как типичного коллоидного капиллярно-пористого материала , представлены на рис. 4,5. Полная математическая модель сугки состоит из 58. уравнений, включающих 79 переменных, из которых 21 заданы,' а- количество остальных соответствует числу уравнений, т.е. систеш замкнута.

При составлении блок-схемы явлений переноса теплоты и влаги, а также изменения избыточного' давленая в объекте с^шки учитывалась причинно - следственная взагсгасвязь структурно-механических свойств материала и гидродинамики потоков в рабочей камере указанных явлений.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЫЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖШУМЗИЮ-ЫЕХАШЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОДУКТОВ ШГГАШЯ.

Описаны экспериментальные установки, методика проведения экспериментов , результаты и методика обрабопси опытных, данных по исследованию хишко-физико-мехаиичэских свойств теста-лепешки и лагманного полуфабриката.

Исследование химического состава сырья и теста-лепешки (содержание сухих веществ, активная кислотность: трстаглепешки, общее содержание липидов и жирно-кислотный состав липидов, общее содержание углеводов, минеральных веществ, аминокислотный состав белков муки и лепешки, летучие карбонильные соединения продуктов) проводилось известными методами. Полученные результаты подтвердили общий характер структурной схемы, составленной для второго уровня иерархии и основные выводы по смысловому анализу.

Для определения теплофизических характеристик (ТФХ) теста-лепёшки и лагманного полу ¡фабриката в широких пределах температу-

рн был, разработан прибор с автоматизированной системой управлений, в котором реализован ыгтод плоского .источника постоянной ыовдости. Прибор скабкен составленной программой расчета экспериментальных данных на этом. Полученные результаты сравнивались с соответствующими результатам других исследователей.. В целях проверки достоверности и сравнения данных ТФХ лагманного полуфабриката определяли тага® штодои дифференциально-сканирукщгй калориметрии и по методу А. Г. Темкина при фиксированных температурах.

При термогравиыетрическом исследовании теста-лепешки и лаг-шкного полуфабриката в дериватографе одновременно измерялась температура (Т).изменение массы (TG), и скорость изменения массы (DT8), что дало возможность провести качественный и количественный анализ процессов сушки и выпечки.(рис,6).

На основе анализа дериватограммы дагманного полуфабриката, обосновоно разделение процесса сушки на отдельные стадии, что согласуется с изменением структурно- механических свойств теста: 1- стадия в пределах U-40-29I ( вязко-пластичное тело), II-стадий .в пределах U-29-iex (вязка-пластично-упругое тело) и Ill-стадия в пределах 1С-13% (упругое тело),

• . Дня расчета кинетических параметров процесса использована модель Вахуски и Воборила:

где: Cf -степень провращэяия, Ш- частотный фактор, 1/с. Е-энерГия активации кДи.Умоль} .

Расчеты выполнены на персональном компьютере IBM PC/ ХГ . с использованием пакета обработки данных EUREKA ( фирмы Borland Internat iüiial), кглкчаетиэго в себя статистическую обработку данных методом иаи«энышх квадратов и итерационным иегодс». ?езул*-таты расчетов величин 2 > Е> Л для теста, мякиша и корки лепешек различных видов приведены в диссертации.

Произведен термический анализ по определению температу-- ры деструкции муки и теста с использованием пирометра Курнакова, и обработки термог^аммы методом JL Г. Бзрга. Установлено, что температура полюй деструкции муки и теста различна: Б75 К и 698 К, соответственно.

. Динамическим способом получаны кривые.сорбции и десорбции

теста-лепешки я лагыанного полу&аЗр/.ката, пс котором утечке- ни форма и вид связи влаги, с ютери.члом, а такм определена энергия связи. Па кривым ДСК определена теплота испарения влаги из материала в зависимости от его теипзратуры.

Для исследования характристик диэлектрических свойств £,£ теста-лепошки и лагманного полуфабриката в диапазоне температур 293 -353 Н и влажности образцов 16-42 % асиольговаи метод корот-т козаыкпутого полиовода. Результаты исследований показали,что зависимость вначешя , £" от влагосэдержания имеет характер близкий к линейному, а величина £* при одинаковой температуре и влажности продукта всегда меньше б'. Установлена зависимость дкз-лэктрическюс потерь от вдалюст

При исследования структурно-мехг'шических свойств для определения предельных напрялэний сдвига при различием влагосодержа-нии продукта применен электротензиметрический метод с использованием проволочных датчиков омического сопротивления. Предельное напряжение определялось в условиях действия динамической нагрузки. Снятие усадочных характеристик лагманного полуфабриката в процессе сушки осуществлялось на специальной установке, на которую получено авторское свидетельство (N8794.65, 1980 г.) Установлены зависимости предельных ньлряканий и усадки теста-лепешки и лагманного полуфабриката от влагосодержання продукта. Изучена кинетика деформации материалов в зависимости от изменения влажности, которая имеет сложный характер.

Разработана специальная установка для определения нормального напряжения при форкювакии теста- лепешки и получены зависимости внутренного нормального напряженна теста различного замеса от давления при одноосном сжатии для различной влажности. Определена зависимость плотности и пористости от числа циклов проработки в процессе формования.

Определена удельная поверхность пор мякиш теста - лепешки на анализаторе физической адсорбции "Акусорб-2100" фирмы "шмротриткс инструмент корпорейшн" по* методике ВНИ "ИРЕА".

б. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

суши и выпечки тестовых изделия.

Описаны экспериментальные установки, методика проведения экспериментов и результаты исследований процессов сушки.и.выпечки.

i,'С п.

о to га so so га о tú «a ja . «з, sa в а С,с.

hC.S.

1епм1»гмт пгквдг« м;<»)5рши (ai » yjíe»cnol ммиШ: 1-615, î- OIA. )-1 С, 4- K.J. i «срм. -r-mii.

-i-i- Wimm игр«».

!\мм.рГ.ет.

m-

so 40 в» do iso 120 о m » зо 1(0 $а м г,с.

Psc.7. Ииири»! с»и» пгпинчсо ютМ5«к»ч SP» иикчишс НИВГ JigtrjllCMOH. .

Í-8,1 l£iM»e гф||(, Vf M «te: H»3 P = 0,(18!;

Ни -шемшш» «Ir, Tcejïtf; ИРНмшпш» P»M sB(,Ici3!5*,S«<i/c.

P«-,!. Immm* »«»шикто киек«' «

r" awlafavâu Илиада* 8И1»сп» nDK Ci» :-«;oro«CWî» 'M5 nB'.'Ooif}: î- It s îiîl, HM, 5- 23,0. t- IM-

Изучение кинетики сушки-лагманного полуфабриката выполнено на специальных стендах, собранных на базе волноводной'и резона-торной СВЧ- установок.

Для Непосредственного измерения температуры теста был в процессе СВЧ облучения разработан специальный датчик температуры ( ав. св. N 931005,1979г.), выполненный в виде ампулы и капилляра из алхмобромсшшкатного стекла, заполненных смесь» уайт -спирита и диоксана, обладающих малой величиной диэлектрической проницаемости. •••..Анализ кинетики сушки (рис.7) при различных методах экер-гоподвода (конвективный, ИК, СВЧ), свидетельствует о том, что наиболее эффективной является сушка в условиях комбинированного СЕЧ- конвективного энергоподвода при импульсной подаче СВЧ-знер-гш. Для обоснования параметров рационального режима сушки был проведен полнофакторный эксперимент (1Ш-2) с учетом следукзк факторов: мопдаость СВЧ- поля, скорость и температура воздуха, а. поверхностями отклика являлись прочность и органоле'птичгская оценка готов ух изделий.

На экспериментальной,установке, состоящей из СВЧ- сушильной камеры, системы для измерения массы и температуры, микроскопа "Ыир-2" и осветительных ламп микротензиметрическим методом измерено капиллярное давление внутри о'бразца в процессе сушки. В качестве датчиков капиллярного давления в тесте применены'микро-каяилляры (диаметр 0,1+2 мкм, длиной 6-10 см), заполненные специальной лидкостыо, обладающей малой величиной диэлектрических потерь и вязкости. •

Установлено возрастание капиллярного давления при воздействии СВЧ-поля на образцы различной влажности (рис. 8). В процессе интенсивной сушки, „ после снижения влагородеркания образца нэкее 20%, в микропорах создается разряжение. Эксперименты при различной мощности, • подводимой СВЧ-зтаргией показали, что : чрезмерное увеличение жзщоехк приводит к удалению влаги в начальной стадии в виде жидкости и увеличению прирэдения давления. Подтверждается такие вывод, что основным источником возникновения капиллярного давления при СВЧ энергоподводе является фазовый переход жидкость-пар.

Экспериментальная барабанная сушилка собрана на базе СБЧ генератора "Хазар-2Р" мощностью 2,5 кВт. Рабочей камерой служит

. - 20-

врадагадая. кварцевая труба. Кроме этого установка имеет систему воэдухоснабжеиия, водоснабжения и снабжена грушевидным коаксиальным переходником и спиралевидным замедлителем для СВЧ. волн. В работе приведены "основные характеристики установки и установлены . закономерности кинетики сушки короткореэанных макаронных изделий типа лапши и вермишели при различной модности СВЧ энергии, постоянной скорости и температуре воздуха в камере.

■ Разработана система управления процессом СВЧ-сушки в барабанных сушилках, которая позволяет корректировать технологические параметры процесса Разработан алгоритм и составлена на языке Q -BASIC программа управления процессом, с помощью которой варьируется уровень шалости, скорость вращения барабана и количество продукта

Для экспериментального исследования процесса выпечки теста-депеш® разработаны установки с различными { СВЧ, ИК, комбинированным) методами знзргоподвода Установки включают источник анергии (СВЧ или ИК генератора), рабочую камеру, систему измерения массы, давления, температуры и количества подводимой электроэнергии. Для измерения избыточного давления использованы U-образные манометры. Универсальная лабораторная хлебопекарная печь, предназначенная для научных исследований, защипана ав. свид. n1405760, 1988 г.

Анализ кинетики выпечки свидетельствует о целесообразности применения комбинированного СВЧ и ИН энергоподвода, при котором значительно увеличивается удельный объем теста -лепешки и улучшается качественные показатели (рис.9).

Определены удельные тепловые потоки по сдоям лепешки и получены темперагурл*^ кривые подиков, выполненных ив различного материала

б. ШЕНСШОШЩ ПРОЦЕССОВ ГИГРОТЕРМИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ 'ТЕСТА -'ЛЕПЕШКИ И ЯАГЫАНГОГО ПОЛУФАБРИКАТА.

Ш основе математических моделей ые«молекулярного взаимодействия на атомарно- »¿оле кулярном уровне определена величина потенциала Шгок-Майера (рис. 10).

По характеру изменения анергии межмолекулярного взаимодей; ствия процесс гигротермической обработки Можно разделить иа периоды постоянного и переменного увеличения энергии, что 'соот-

2№ео - ■ 1 г з ЛИ V —

ИИ,1Ц р

|иЦа и/

12® »-20 »Не. 1 1 ■ •

--ЦК--

££0 гее

103 9

-мк-

«5

№ №

и

•70

.60 .50 1 1 | 3

ла -за Д ,1

•20 10 - уГ Л 1

ик-

10

Р*с.9'. (мш яаге»еа игреюмгокм еия I тем (*Гс)

...........------------ ..,, - галеади )гз5е«м«<

работой 8»,*».?«) ли ри»«*** етмем* и ретзх знергоявявояз: Г ЙЧ.,)-МЧ чоцкогт» 0.« к|{, 7-е.$5. 3-0, ; 4, Л,?,|-«Ч »ммстк 0.«»8ц

о- Ё, и»»'» и поим 15 тт. н, и: Ш.м- ш «Ш;

г- И с Й!»«и»«» <Р шюупп». !-[65 иягаггь 0.« кВт. И,35. 3-0.3, 1.2,3, > .л{та к г I , .

ил ..•¡л.и-иаштгпив ту в цгН1Ра«8»

при и» (томми 6»тз Н на).

и потто ш «8г/«г; 1 . I , 5 - итгрмьм* еялчогть Ли к?) яегеш; 4,5,5-:ф;?а'у{о 1» к рагнчт! г«»б>ве от лиерхност» 4-1=!.!««, 5-1?, •-37.5: 1,1-И1(«»« Р» в центрально» чтец 7 ер» х*!м 4 д «урте «ма«*«

ветствует трем видам радиального расстояния (г): для первого при 0,186-0,285 нм, I)» 2,5-11 Эв, для второго при 0,32-0,36 нм, U-0,5-2,5 Эв, для третьего при 0,55-0,7 нм U= 0,25- 0,6 Эв. Это подтверждает предложенное деление процессов гигротермической обработки на определенные периоды. Как видно, повышение температуры материала увеличивает энергию взаимодействия при одних и тех же ма«молекулярных расстояниях. Поэтому снижение температуры материала при осциллирующем режиме позволяет снизить энергозатраты.

Расчеты процесса набухания белка и крахмала, выполнение для определения водопоглощающ,ей способности муки показали, что если основной процесс набухания протекает при температуре 30-50 С в течении 6-8 мин, то скорость равна CtWjüT- 8,27-6,08 Х/мин.

Расчет инактивации фермента проведен в пределах изменения температуры Т =323-535 К во времени Т=4-6,5 мин. (рис. 11).

Установлено, что вначале процесса до температуры 323 К ■ инактивация изменяется незначительно, а. начиная от 333 К, процесс резко активизируется и далее при 343К показатель инактивации поднимается до 340»Ю*1? Весь процесс инактивации происходит в течении 350-355 сек. •

для расчета количества энергии ГибСса, характеризующей степень денатурации Белка в тесте - лепешки, число пептидных связей, приникали по альбумину и глобулину (рис. и). Установлено, что процесс денатурации белка начинается намного раньше инактивации фермента.

Расчеты процессов спиртового брожения, гидролиза и клейсте-ризапии крахмала, карамелизации и реакция меланоидинообразоваиия теста-лепешки показали, что на преобразование Сахаров в начале влялет стйртсвсс Срожэнке (до 60 сек.),затем в период 60-120 сек происходит интенсивный гидролиз и в конце выпечки- реакция мела- , ноидинообразования.

На основании расчетов по полной математической модели определено изменение параметров теста-лепёшки при рациональном режиме выпечки (рис.12).

Для первого периода продолжительность» 240 с дополнительно к уравнениям тепломассообмена (переноса теплоты и влаги) принято, что нормальное напряжение и его величина больше критического.

Для второго периода 240 +510 с принято, что скорость деформации постоянна и дополнительно к уравнениям переноса теплоты в

--3—4 a » 4 \ ._£ •i » s « 3 m

? . ft . ? . a . ® ? ? 8

i s з а з s a a ■ • » ' i. i .

sg-

wo £

-ss

g»«

S« ?

ISL-

5П ° *

Is Ï jj ■

»"is

ui

' - 24 -

юрке и мякише изменение допустимого напряжения описывается уравнением (5).

Для решения системы дифференциальных уравненией применен конечно-разностной метод при условии, что разностная сетка покрывает всю исследуемую область. Выбрана неявная симметричная схема Кранка-Никольсона.

При выборе и обосновании параметров оптимального режима,определяющим фактором принято изменение структурно-механических свойств материала. Для первого периода выпечки в качестве критерия оптимизации принята максимально допустимая деформация-^, и для второго периода-величина допустимых нормальных напряжений • -0"^, с читая, что в первом периоде режим прогрева теста - лепешки, обеспечивает максимальный подъема теста,а во втором периоде обеспечивается требуемая прочность готового продукта.

Сравнение результатов расчетов (рис.12) с экспериментальны-, ми данными свидетельствует о достоверности полученных данных и адекватности выбранных физико- математических моделей реальным процессам.

Установлены параметры рационального режима для первого периода:

^,^12-14 кВг/м2,Г, -220-240 сек. - '6-40* ;Для второго периода: <^^6-7,5 КВГ/М2.С,,=260-280 сек, <>д =60-70 кЯа.

Общая продолжительность процесса 480-520 с. при относительной влажности воздушной среды 60-702 и температуре 230-24сРс.

Численное решение профилей влагосодержания, температуры и давления в различные моменты времени показало, что изменение температуры, влажности и давления по радиусу- лагманного полуфабриката ггрк СВЧ -конвективной сушке незначительно, что позволяет использовать с достаточной степенью точности /сродненные значения этих параметров. .

Для расчета поверхностных напряжений или деформации на всех стадиях получены экспериментальные зависимости Си^ от влажности. Анализ экспериментальных кривых показал, что они могут бьггь описаны дифференциальными уравнениями первого порядка:

скЦст* -Кв<укр (7) »—к^ч (8)

В результате обработки получены значения констант: Кв* 14,89 при СГив0=<Г„

и Ку = 50,58 при

функциональные' зависимости и 0Го от температуры получены по экспериментальным данным с использованием полиномов второй степеНИ: ' 2 а

(Гв = ^а„Тп (9) 17в = 1в.-Т" (Ю)

л»о п*°

где: 0,=0,102 • 107; ■ О,— 0,611-10* ; 02=9,2;

£„=0,645 • 10э; в,— 3,64; ¿2= 0,516« 10* ;

Коэффициенты полиномов определены с помощью метода наименьших квадратов на ЭВМ. Полученные зависимости (7-10) позволили перейти к этапу моделирования с учетом изменения структурно -механических характеристик лагмана

Взаимосвязь между напряжением сдвига и деформацией представлена в виде '

= . (И)

где функция связи Г - отражающая зависимость структурно- ■ механических свойств от влагосодержания и времени'( имеет наследственный характер, установленный Д. Р. Пурцеладзе) получена на основе обработки экспериментальных данных по- сушке макаронного теста:

? ={> Л 0,05-е2ги[1-е<°'а5-омУичЯ .т| (12)

гчено дифференциальное уравнение:

В результате получено дифференциальное уравнение:

Ж - *

ат F-O.se

Аналитическое решение уравнения (18)-при постоянной температуре и влагоеодерлсании имеет вид:

где:

7 =-\_£_. (15)

Т.. »

т»

Кинетика сушки лагмана при минимально допустимой продолжительности и обеспечении высокого качества конечного продукта (отсутствие трешин, цвет, состояния поверхности, быстрая разваривзе-мость), а также кривые изменения £ , (¡^и ^ представлены на рис. 13.

~ 26 - •

По кривой суши, принимая ее описание в виде иавестного уравнения dll/dT = ~К (U -U») (16)

подучена зависимость которая подставлена в выражение для

определения 6«>и определен максимально допустимый градиент вла-госодержания ( ^Ц.) для различных периодов сушки: JdU/dt¡,= О,,0128 % влаг./с; jdu/dt| - 0,0093 % влаг./с ;

.Полученные значения ( yU,^ хорошо коррелируют со значениями (уlinca)» полненными при построении полей влагосодержания на основе решения системы дифференциальных уравнений влаго- и тепло-переноса

■ 7. ШОДОКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ■ ГИГРОТЕРШЧЕСКОЯ ОБРАБОТКИ.

При разработке методики инженерного расчета решены аадачи, соответствующие IV и V уровням иерархии системного анализа процесса сушки.

В-инженерном расчете СВЧ конвективной сушилки определена длина волноводной- камеры в зависимости ог влагосодержания лаг-манного полуфабриката, При этом приняты следующие допущения:

- величина коэффициента затухания и значения теплофизичес-кюе характеристик для каждой стадии процесса сушки постоянны; - испарившаяся влага непрерывно удаляется из рабочей камеры.

При рассмотрении режима прямотока выделен бесконечно малый обгем высушиваемого продукта толщиной с(Е ,при средней скорости его движения V" и направленный вдоль камеры ЗМП СВЧ-анергии. у ' При использовании уравнения баланса анергии в установке и проведения алгебраических преобразований, получено линейное дифференциальное уравнение вида:

'¿U^zafi ¿ааг r-y'u , 2fi (r

Данные выражения дают возможность определить (t¿) максимальное _ значение температуры в зависимости от скорости сушки и температуры окружающего воздуха, а также электро- и теплофйических свойств материала:

-I. г-уИге

огтщср

- -и- н-

е гэрср/ г 1 р е

Максимальная длина волноводной камеры для режима прямотока:

Л

41?[

((Тп-ЪЧ+гуигрдиь-сМуе) н I (^

М? г

Аналогично получена формула для определения максимальной длины волноводной камеры для режима противотока.

При расчете длины рабочей камеры установки с прямоуголным ■ поперечным сечением используются трансцендентные уравнения, в которых учтена максимальная толщина слоя материала на стандартном волноводе прямоугольного сечения и коэффициент затухания частичного заполненного волновода.

При. определении длины рабочей камеры барабанной установки учтен сложный характер движений частиц материала внутри барабана. В работе приведены уравнения, описывающие перемещение элементарной частицы за один оборот барабана, в которых степень за- • волнения описывается уравнением

где Д - глубина проникновения волн, м. Используя единое уравнение перемещения элементарной частицы, определена масса переменяемого материала за один оборот барабана Для определения максимальной длины волновода перемещение элементарной частицы приравнивается модулю средней скорости, причем длина определяется для режимов прямо- и противотока .

Разработана математическая модель барабанной СВЧ- установки непрерывного действия, в которой учитываются различные стадии процесса суши полужидких материалов по длине сушилки. Эти стадии соответствуют процессам:

Рвбочп* химера С£Ч бараОиниоа суянлги, 1- отраматель-квркас, >• СЬЧ воднсьод, 6.7- эьгруэОчный, ризгруэочнип лвх* в- грувевидный переходник. 9- спи роль, 10- стилизатор. и- мембрана. 12- кварцевая труба. 53- «пирмодерж»*ель« IV* адех трепридодЛЗ- рем^яна* передача* 17- Свлластиая нагр/эка, 18,19,20- кмлорнфер*

- нагревание исходного материала с начальным влагосодержанием 11„ до влагосодержания, соответствующего началу отвердения U, ;

- стадия образования гелевидного продукта с влагосодержанием Uj;

- сушка с постоянной скоростью до влагосодержания U3 ;

- сушка с удалением связанной влаги до влагосодержания 1/*.

Для увеличения времени пребывания материала в первой зоне предусмотрено задерживающие устройство. При этом, большое влияние имеет глубина проникновения СБЧ- еолн в-толщу материала.

Для каждой стадии сушки разработаны уравнения для определения времени пребывания продукта, по которым рассчитывается длина рабочей камеры в соответствующей стадии.

8. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. '

Разработаны и созданы прибор для определения капиллярного давления в процессе сушки, датчик температуры, установка для определения усадочных характеристик и стенд для определения структурно- механических характеристик пищевых продуктов,' которые внедрены в учзбных и научных лабораториях СКИ, ТашХГИ, МГИПП.

Автоматизированная система для исследования теплофизических характеристик продуктов внедрена в НПО "ИРЕА". Методика инженерного расчета СВЧ-сушилки применена при проектировании и создании СВЧ-сушилки ВЧД 19-60/315. Фактический экономический эффект от внедрения в народном хозайстве составил 1,22 млн.руб.

Разработаны хлебопекарная СВЧ-ИК печь периодического действия, лабораторная обжарочная печь непрерывного действия, установка для ИК - обработки пищевых продуктов, хлебопекарная печь для узбекских лепешек ( рис.14), машина для формования узбекских лепешек, хлебопекарная ИК-СВЧ-ИК печь , камерная СВЧ-конвективная сушилка, барабанная СВЧ- конвективная сушилка непрерывного действия (рис.15).

Хлебопекарная печь периодического действия, хлебопекарная печь непрерывного действия, Машина для формования узбекских лепешек, барабанная сушилка непрерывного действия рекомендованы к широкому внедрению Техническим Советом "Узбекбирляву" республики Узбекистан.

Данные эффективности внедрения результатов работы приведены в сводной таблице -4.

табгаща-4.

Э«ЕКТЛЕН0СТЪ ВНЕДРЕН!!Я РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

НАИМЕНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ

! !

4

5

6 7

Методика инженерного расчета СВЧ сушики БЧД 19 - 60/915

Автоматизированная система для определения ТФХ гопаевых продуктов

Лабораторная хлебопекарная печь

МЕСТО ВНЕДР И ИСПЫТАНИЯ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ИЛИ ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВ.

Фактический экономичес эффект 1,22 млн. р.

ВШИ "ИРЕА" ОЭЗ "ИРЕА" г. Москва г. Ангарск ВШИ "1!РЕА" г. Москва 'данных по ТФХ

Получение справочных

Катана для формования в сушки 1 лагаакного полуфабриката

Установка для ИС-обработки пиадвых продуктов

Обжарочкая печь непрерывного действия

Установка для определения проч носпаи характеристик, прибор для определения капиллярного давления, датчих температурите танОЕка для определения усадоч характеристик пищевых продукпоэ ИК-СВЧ-ИС печь и1 способ вшеч юс узбекских лепешек

1сКИ,г.Самар! 'канд.МТШШ. I ' г.Москва ( ¡Ограсл. НИИ1 ' «инистерст.' хлебопродук СКИ.г.Самар' канд пред прият. ОГГС СКИ.г.Самар каид предпр1 ятаи ОПС. СКИ.г.Самар канд пред прият, ОПС СКИ.г.Самар канд ТашХТИ г.Ташкент МТИПП г.Москва

,0 тыс. в. установку.

на одну»

20

р. на ед, продукции.

готовой

2,4 тис. р. на одну установку

0,6 тыс. р. установку

на одну

Получение справочных данных

24,9 тыс. р. на одну печь.

Машина для формования лепешек. "Оби-нон" производительность» 700 иг/час

СВЧ конзект"вная сушилка

Хлебопекарная печь непрерывного действия

Барабанная СВЧ сушняка "лепре- предприятие рысного действия 1Узбекбрляшу

" Данные па хкккческоиу составу, [Проектные в ТФХ, электрофизическим,струк- ' турно-механическим,гравииетри-' местам,термодинамически» хар&к' териепкам теста -лепеппси, лагианкого полуфабриката Иетсяяка инженерного расчета СВЧ установок для тернообработ кя хлебопродуктов я макаронных изделий

МТШЬг.Мос ква хлебоксм бинат Н»5 | г.Самарканд! Булукгурския 9,78 тыс. р. на одну хлебокомбин! установку

Самар. ОПС I

ХлебокомИ»ь( 14 тыс.. р. на одну г.Самарканд одной установку Предприятие¡55 тыс. р. на одну Узбекбрляагув установку

20 тыс. р.на одну установку Справочные ааикце траслевые для

НИИ пищевой расчета ТМО процессов,] прокшшеи выбора режимов я гене носгя. ратов для ИК.СВЧ обра-| ботки.

Проектные в Расчет, проектирование! отраслевые установок для термооб КИИ пищевой работки хлебопродуктов [ проадилеш. й макаронных изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны теоретические основы интенсификации про-' цессов гигротермической обработки продуктов питания, включающие системный анализ на 8 уровнях иерархии процессов биотехнологии и тепломассообмена при воздействии на 'продукт электромагнитных полей СВЧ и ИК диапазонов с использованием методов математического моделирования.

2. В соответствии с разработанной структурой уровней иерархии системного анализа проведен анализ свойств воды в коллоидных капиллярно-пористых материалах и обоснована эффективность применения электрофизических методов обработки на различных стадиях-процесса.

3. Разработаны обобщенные математические модели биотехноло-гическкх и тепломассообменных процессов, исползованные при оптимизации процессов выпечки теста-лепешки и сушки макаронных изделий в электромагнитных полях СВЧ и ЙК диапазонов. Получены дифференциальные уравнения изменения структурно-механических свойств капиллярно-пористых коллоидных материалов в процессах суши и выпечки.

4. Усовершенствованы методики экспериментального исследования и разработаны новые приборы и установки для исследования химико-физико-механических свойств теста-лепешки и лагманного полуфабриката. Разработана АСНИ теплофизических характеристик свойств коллоидных капиллярно-пористых материалов и исследовано развитие капиллярных давлений в процессах сушки и выпечки. Разработаны методы определения ТФХ и усадочных характеристик теста.

5. Определены теплофизические, структурно - механические, электрофизические, гигроскопические, термогравиметрические характеристики теста- лепешки и лагманного полуфабриката, а также определена удельная поверхность пор мякиша лепешки.

6. »следовани и обоснованы параметры СВЧ-сушки, комбинированной СВЧ -конвективной и ИК- вакуумной сушки макаронных изделий. Разработан метод управления технологическим процессом СВЧ-сушки. Установлено влияние и определены значения плотности потоков электромагнитного излучения в процессах СВЧ, СВЧ-конвек-тивной, ИК-вакуумной сушки макаронных изделий и в процессах СВЧ, ИК, СВЧ-ИК, ЙК-СВЧ-ИК выпечки теста-лепешки.

7. Для реализации математических моделей разработан комп-

леке программ и на ЭВМ рассчитаны рациональные технологические' режимы процессов выпечки теста - лепешки и алгоритм управления процессом суши лагмзнного полуфабриката .

8. Разработана методика инженерного расчета длины волноводной рабочей камеры для СВЧ и барабанной СВЧ-конвективной'сушилки и даны ' рекомендации по, методике инженерного расчета ИК-СВЧ, ИК-СВЧ-ИК и ИВ аппаратов для выпечки тестовых изделий.

9. Ба основе результатов проведенных исследований разработаны хлебопекарная печь одновременного воздействия СВЧ-ИК, лабораторная обжарочная печь непрерывного действия, установка для ИК - обработки лицевых продуктов, хлебопекарная печь для узбекских лепешек, машина для формования узбекских лепешек,хлебопекарная Щ-СЕЧ-ИК печь, камерная СВЧ -конвективная сушилка и барабанная сушилка непрерывного действия. Экономический эффект от внедрения разработанных установок в хлебопекарной и макаронной отрасли, подтверэдеянкй результатами производственных испытаний, составил около 1 млн. руб в год. Ряд установок рекомендован к широкому внедрению Техническим Советом "УзОекбирляшу" республики Узбекистан.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: отдельные издания

1. Электрофизические <методы воздействия на пищевые продукты.

- Ташкент; изд. "Фан" АН Республики Узбекистан, 1991.

- 109с. (В соавт.).

2. Экономия энергии на предприятиях пищевой промышленности СССР и за рубежом. - М.; ЦЙНИТШПшцепром; 1980. - 44с, (В соавт.)

3. Использование СВЧ энергии для обработки пищевых продуктов.

- м.: цшжгэипищэяром, 1881. - Збс. Для служебн. пользования.

4.'. Механизация формования изрелий из геста в виде лепешек. - М.; ■ ЩШТЭШииэпром, 1985. -38с. (В соавт.).

6. Экспериментальное исследование процесса сушки продуктов питания в электромагнитном, поде. ••- Самарканд; 1990.- 85с. -Деп. в ЦВГЭИ «ентросоюассср. 13. Об. 9i. N270. БИ ЦВТЭИ 1991. N4. П. 418, б. Методология современного учения о гигротермической ¡обработке продуктов питания.-.Ташкент, 1992. -62с.- Деп. в УаНИШГГИ от. 09.03.92, М1Б72-У392.

научные публикации

7. Сушка лагманного полуфабриката . // Изв. ВУЗов'. "Пищевая технология" N2.1988. с. 172-176. (Всоавт.).

8. Определение длины волновидной камеры в зависимости от влаго-содержания продукта. // ж-л АН МССР. Электронная обработка материалов. N6, 1986, с. 55-56.

9. Неизотермическая кинетика сушки коллоидно-капиллярно-пористых тел.//Изв. БУЗов"Пищевач технология",N3,1987,с. 68-73 (В соавт.)

10. Влияние комбинированного знэргоподвода при выпечке лепешек "Оби-нон" на их качество. //Хлебопекарная и кондитерская про-

• мышленность. N4, 1987, е. 31-22. (Всоавт.).

11. Внутреннее напряжение теста при одноосном сжатии в незамкнутом объеме. //Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1986. N3, с.32-33. (Всоавт.).

12. Определение тепловых характеристик лагманного тебта в процессе сушки. //Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1986. N6, с.27-28. (Всоавт.).

13. Влияние влажности теста на свойства при растяжении. // ЦИЧИТ-ЭШишепром, реф. сб. вып. 5. сер. 15, 1981. с. 33-35, (Всоавт.).

14. Влияние продолжительности оглехки лагманного теста на его реологические ' свойства // ЦИНЙТЭИШшэпром, реф. сб. вып. 8. сор. 14, 1981, с.21-28, (Всоавт.).

15. Устройства для сушки короткорезаных макаронных изделий. // ЦШОТЭИШщапром, реф. сб. вып. б. сер. 14, 1981, с. З-б.

16. Интенсификация процеЬса сушки лагманного полуфабриката различными методами энергоподвода //Труды ВНИИЭКИПродмаш, 1981. Вып. 56, С. 88-90.

17. Влияние продолжительности отделки на реологические свойства теста лагмана. //ЦИНЙТЭИЛшцепром, сер. 14,вып. 10,1981. с. 24-25. (Всоавт.).

18. Установка для производства макаронных изделий. //ЦИНИТЭКПище-пром, реф. сб. сер. 14, вып. 13, 1982. с. 8-9.

19..Исследование влияния реологических характеристик в процессе сушки макаронных изделий (на нем. языке). //Тез. докладов международного симпозиума Дрездейский технический университет 1981. (Всоавт.).

20. Анализ состояния переработки пищевых продуктов электрофизическими методами. //Тез. докл. НТК ТашХГИ. »Ташкент, 1992. с. 177.

21 .'Определение усадки макаронных изделий в процессе сушки. //ШШИТЭЙПищепром, реф. сб. сер. 14, вып. 4, 1983. с. 15-16.

22. Формование тестовых заготовок узбекских лелеиек. //ЦИНИТЭЙ-Пидэпром, сер. 14, вып. 7, 1983. с. 1-6. (Всоавт. ).

23. Системный анализ процесса сушки лагманного полуфабриката Тез. докл. НПК "Проблемы экономии энергоресурсов при создании и эксплуатации торгрво-техиологического оборудования" Самарканд, 1983. с. 71.

24. Сорбционная и десорбционная характеристика-важный фактор для определения условий хранения пищевых продуктов. //Труды СКИЦ, Самарканд, 1984. с.244-247. (Всоавт.).

25. Системный анализ сушки коллоидно-пористого материала //Труды Ш1ГО1, Москва, 1984. с. 223-224. (Всоавт.).

26. Совершенствование технологии производства лепешек на индустриальной основе. //Тез. докл. ВПК "Проблемы индустриализации • ОП", 27-29 ноября, г.Харьков, ХИОП, 1984.с.272. (Всоавт.).

. 27. Применение энергии электромагнитного поля в производстве узбекских лепешек. //Tea. докл. V Всесоюз. НТК "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов", 1985, с. 341.

28. Изменение реологических свойств коллоидно-капиллярно-пористого материала в процессе суши. //Тез. докл. Всесоюэ. научно-тенич. конф. ИФХМ-86, октябрь, 1686, с.216-217. (Всоавт.). ■

29. Интенсификация технологии производства лепешек. //Тез. докл. ÍX НК. НИИОП "Изучи, техн. прогресс в ОП"-'И. , .1987,

24-27 ноябрь, с. 74-75. ДСП. (Всоавт.).

30. Выпечка узбекских лепешек в электромагнитном поле СВЧ и ИК диапазона. //Тез. докл. IX НК. НИВД1 "Научи. техн. прогресс Я ОП" - И., 1987, 24-27 ноябрь, с. 168-159. ДСП. ( В еоавт. ).

31. Хтс5опс!^ар*'о.1 печь с ксьйкнирсЕэн.чкм способом энергоподрппа. //ЦНЙМТЭИ Шйхлебопродуктов, вып.2, 1988. с.5-7. (Всоавт.).

32. Неизотермическая кинетика сушки коллоидно-капиллярно-пористого материала //В книге: Совершенствование мат. тех. базы общественного питания -Самарканд, 1990-с. 15-23. - Яеп. в ЦБТЭИ Цент-рисоюаа СССР. 04.04.91. N263. В. И. ЦБТЭИ, 1991, N3, п. 303.

33. Управление реологическими свойствами коллоидно-капиллярно-пористого материала в процессе сушки. //В книге: Совершенствование мат. тех. базы общественного питания. - Самарканд, 1990,

С. 16-23. -Дап. В ЦВТЭИ Цеитросовра СССР. 04.04.91. N263. Б. И. ЦБТЭИ, 1891 ,N3, П. 303.

34. Применение микропроцессорной техники для аЕтоматичесгаго регулирования процесса выпечки. //Тез. доо. региональной ОТК "Мзделирование и управление в технических системах",20-23 мая 1991, Ташкентский машиностроительный институт, Ташкент, с. 194.

35. Управление тепловым процессом и определение теплофизических характеристик пищевых продуктов. //Тез. докл. региональной НТК "Моделирование и управление в технических системах", 20-23 мая 1991, Ташкентский мапшостроительный институт, Ташкент, с. 170.

Авторские свидетельства Способы и установки для гигротермической обработки ( сушки, зтечки) защздэны 15 авторскими свидетельствами 1979-1992 г. г. N. 718968, 820771, 820737, 858709, 931005, 1113073, 1155224, 1136783, 1287324, 1324613, 1405760, 1610815, 1521451, 879465, 1540064, 4916843/13( 114547) пол. реш. ( В соавт.).

Условные обозначения Р, Б-содержание белка, крахмальных зерен; М-влаляость. муки; А - активность фермента; А,ц -активность фэрыептоп с( и_0амилазы; . 6яг,вя,вш,3ки, во», <¡»1, в»1,вв , вк»,(3м», (ЗйШ.вдДО, Зспм, 6вП1 , б*м .БпИ, -количество С0|, дара, сахара, несброженного сахара, выделившегося спирта, выделившегося углекислого газа, крахмала, поглощенной влаги, крахмала в готовом тесте, оставшихся моносахаридов, моносахаридов, ангидрид Сахаров,общее количество продуктов реверции, оетав^еся количество Сахаров, аминокислот, общее количество продуктов реакции соответственно; Г-газообразующая способность муки; Щ, и», 11», и», И»-скорости гидролиза, реакции брожения, реакции взаимодействия Сахаров и аминокислот, коэффициент интенсивности поглощения воды крахмалом;¿5? ,/Н! -энтропия и энтальпия одного звена; п- число пептидных связей; 1а(т)-изменение, концентрации активного фермента по времени;Яв- константа Больцмана;дЗ'-энтропия денатурации; Е-энергия активации; Р-газовая постоянная; Ц- влагосодержалшв, %; Щ-влагосодержание среды,X; Ь, ^о Л« Д« -температура материала, 'окружащэй среды, поверхности материала, начальная, К; Р-давление, Па; ЧГ- время, с; е- деформация, X; В-модуль сдвига, Па; Р^-мощность ЭМП СВЧ,

к&г; Р„, Рисп, Р«,-мощность, расходуемая на нагрев материала, на исп.арсние и удельная, Вт; С -теплоемкость Дж/кгК; Сад-предельное напряжение, Па; -вязкость, Па с; с(~ , коэффициент еатухания; г - теплота йарообрззованкя, кДж/кг кЗ ; ^ -плотность, кг/мЗ;

коэффициент теплопередачи Вт/м2-К; V -средняя скорость, м/с; Ке -критерий Рейнольдеа; В1«- критерий Био - массообменный; Р-козффии"ент диффузии, м2/с; 2 -максимальная длина волноводной камеры, м; •

• - • I

Ротагтр:шт НШ"МИР"

Заиа № 79 ДСП Тирая 100 эяэ.