автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научные основы процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии

Р Г 8 ОД

На правах рукописи

Буйнов Александр Александрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Астраханском Государственном техническом университете

Научный консультант доктор технических наук, академик РАСХН

Рогов И.А.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Леончик Б.И.

доктор технических наук, профессор Космодемьянский Ю.В.

доктор технических наук, профессор Рудобашта С.П.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)

Защита состоится « 16 »февраля 1998 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного Совета Д.063.46.01 Московского государственного университета прикладной биотехнологии по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, 33 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ Автореферат разослан « 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор Протопопов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Дефицит белка, особенно белка животного прохождения, ощущается практически во всех странах мира. Продовольственная ¡ависимость России требует развития перерабатывающих отраслей агропро-шленного комплекса на основе совершенствования существующих и созда-1 новых экологически безопасных технологий и оборудования, способного ;спечить глубокую, по возможности безотходную, переработку белоксодер-дего сырья. Рыночные отношения требуют разработки высокоэффективных >цессов и создания конкурентоспособного оборудования для небольших пе-»абатывающих хозяйств, производящих качественные продукты питания. Од-я из методов, позволяющих решить поставленные проблемы, является орга-ация производства сухих продуктов с минимальными потерями биологически ивных веществ при тепловой обработке.

В результате развития пищевой технологии на основе процессов гидролиза жа появляется ряд жидких продуктов комплексного состава, консервация ко-ых обезвоживанием традиционными методами сушки (распылительная, суб-1ационная) экономически неэффективна. Привлекательно использование |цессов сушки жидких продуктов биологического происхождения во вспенен-1 состоянии. Эти процессы обеспечивают качество обезвоживания сравнимое гацессами сублимационной сушки, а энергозатраты сопоставимы с распыли-ьной сушкой при гораздо меньших габаритах аппаратного оформления. Од-о вследствие физико-химических особенностей процессов вспенивания на-дываются ограничения на круг продуктов, обезвоживаемых методами сушки зелененном состоянии. Слабо исследован механизм стабилизации пен пище-1и ПАВ, номенклатура которых явно мала, а последствия их использования ю изучены. Недостаточно исследованы общие закономерности и механизм по-массообмена при обезвоживании биологических продуктов во вспененном гоянии. Кроме того процессы пеносушки отличаются высокой чувствительно-о к колебаниям физико-химических свойств исходных продуктов, что отража-ч на выходе процесса в диапазоне от идеального до непреемлимого и явля-ч основным сдерживающим фактором внедрения методов пеносушки в про-эдетво. Отсюда вытекает актуальность поставленной в диссертационной

работе проблемы создания научных основ процессов обезвоживания жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ процессов обезвоживания жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии и основных направлений в конструировании сушильного оборудования.

Задачи, сформулированные для решения поставленной цели:

- разработка научно-методических основ исследований процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии;

- оценка влияния основных факторов на устойчивость пенной структуры жидких пищевых продуктов как объектов сушки во вспененном состоянии

- теоретический анализ термовлагообменных характеристик белковых про дуктов как объектов пеносушки. Выявление механизма взаимодействия продуктов с водой и термодинамических характеристик энергии связи влаги с материалом. Анализ процессов внутреннего влагопереноса при обезвоживании биополимерных композиций, оптических и терморадиаци онных характеристик объектов пеносушки;

- исследование кинетических закономерностей процессов обезвоживания продуктов во вспененном состоянии при различных видах энергоподвода Определение целевых функций и основных влияющих факторов, молеку-лярно-кинетический механизм сушки во вспененном состоянии в атмосферных условиях и в вакууме. Определение кинетических характеристи процессов пеносушки;

- разработка феноменологической модели обезвоживания жидких пищевы продуктов во вспененном состоянии;

- разработка рекомендаций по технологии процесса и конструктивному оформлению пеносушилок.

Концептуальная направленность работы состоит в разработке высокоинтенсивных процессов сушки жидких биополимерных систем посредством рационального использования комплекса физико-химических свойств исходных продуктов при максимальном сохранении качества биологически активных ком понентов.

На защиту выносятся следующие положения:

- научное обоснование влияния комплекса физико-химических свойств жид-х продуктов на целесообразность использования способов сушки продуктов во пененном состоянии;

- научное обоснование механизма взаимодействия элементов структуры шковых композиций с водой;

- научное обоснование экспериментально-аналитических методов выбора ционального вида энергоподвода посредством анализа основных термодина-неских соотношений при взаимодействии белковых композиций с водой в ус-виях нестастабильной пенной структуры;

- результаты экспериментальных исследований кинетики сушки во вспенен-м состоянии при конвективном и кондуктивно-радиационном энергоподводах закууме;

- феноменологическая модель механизма обезвоживания жидких продуктов вспененном состоянии при различных видах энергоподвода;

- математические модели кинетических закономерностей процессов массо-мена при пеносушке;

- основные направления в конструировании агрегатов и узлов оборудования я сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии.

Научная новизна состоит в следующем:

- разработаны научно-методические основы и систематика исследований оцессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии;

- показана корреляция кинетического фактора устойчивости пенных струк-э и кинетических характеристик процесса обезвоживания. Проанализировано ияние основных физико-химических характеристик жидких пищевых продук-в (концентрация, вязкость, температура, рН, добавок ПАВ) на устойчивость нных структур, определяющих рациональность использования способов пе-сушки;

- выявлен механизм сорбционного взаимодействия продуктов белкового ^ролиза рыбного сырья в широком диапазоне активности воды;

- выявлено определяющее влияние энтропийной составляющей свободной ергии Гиббса на энергию связи при взаимодействии продуктов белкового гид-лиза с водой;

- установлено, что термоградиентная составляющая внутреннего влагопер носа оказывает влияние на устойчивость пенной структуры в процессе сушки;

- предложена феноменологическая модель процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии при различных видах энергоподвода i атмосфере и вакууме.

Практическая значимость и реализация результатов. Теоретические и экспериментальные исследования позволили предложить способ сушки во всг ненном состоянии для ряда трудносохнущих продуктов.

Теоретически и экспериментально обоснованы режимы и технология суш! рыбных белковых гидролизатов (A.c. СССР № 736460, 1990), концентрирован го томатного сока (Патент СССР № 1805876, 1993). Совместно с ПТО «Севтехрыбпром» (г. Мурманск) разработана конструкция вакуумной пеносуил ки Н29-ИЖЕ для рыбных гидролизатов. Разработана конструкция однодисковс вакуумной установки для обезвоживания жидких пищевых продуктов во вспен« ном состоянии (полож. решение о выдаче патента по заявке № 5049018/06 (021108), заводом «Каспреммаш (г. Астрахань) изготовлены вакуумные пенос; шилки, установленные на АО «Астраханьконсервпром» при производстве сухи томатных продуктов и ПНИЛЭФМОПП МГУПБ при производстве продуктов энт рального питания. Разработан способ бланширования рыбных консервов в ма< ле (полож. решение о выдаче патента по заявке № 008094/13). Практические результаты и предложения включены в планы технического перевооружения и инвестиционные проекты АО «Астраханский рыбокомбинат» и АО «Густера» (г.Астрахань).

Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспе риментальных исследований использованы в исследовательских работах кафедры машин и аппаратов пищевых производств АГТУ , лекционных курсах, в двух диссертационных работах , подготовленных при консультации соискател!

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором в период 1975-1997 гг., доложены и обсуждены на: Всесоюзной научно-технической конференции «Сушка и грануляция продуктов микробиологиче ского и тонкого химического синтеза» (Тамбов, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции «Рациональное использование белка в мясной и мс

энной промышленности» (Москва, 1983), Второй Всесоюзной научно-¡хнической конференции «Разработка процессов получения комбинированных юдуктов питания» (Москва,1984), пятой Всесоюзной научно-технической кон-еренции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов» 1осква,1985), Всесоюзной отраслевой научно-технической конференции Проблемы совершенствования технологии и оборудования для обработки )ъектов морского промысла» (Калининград, 1986), Всесоюзной отраслевой |учно-технической конференции «Пути экономии ресурсов при технологиче-ой обработке рыбы и рыбопродуктов» (Калининград, 1987), 2-ой Всесоюзной. |учной конференции «Проблемы индустриализации общественного питания раны» (Харьков, 1989), 3-ей Всесоюзной научной конференции «Проблемы 1ияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания» арьков, 1990), на экспозиции и симпозиуме Международной выставки 1НРЫБПРОМ-95» (Санкт-Петербург, 1995), Всероссийской научной конферен-1И «Теоретические и практические аспекты основных положений расчета про-юсов и аппаратов пищевых производств» (Москва, 1996), на научных конфе-нциях АГТУ, МГАПП, МГУ ГШ в период 1975 по 1997 год.

Публикации по работе. По материалам диссертационной работы опублико-но 46 работ, в том числе 22 статьи в теоретических, научно-практических и раслевых журналах, 17 тезисов докладов на Всесоюзных и Всероссийских нференциях и симпозиумах, 7 авторских свидетельств, патентов и положи-пьных решений на выдачу патентов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 зв с выводами, заключения, приложений, актами дегустаций, испытаний. Рабо-содержит 288 страниц основного текста, 98 рисунков, 32 таблиц и список ис-льзованной литературы из 240 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и целе-эбразность исследований процессов сушки жидких продуктов биологического оисхождения во вспененном состоянии, научная концепция работы. Жидкие цевые продукты рассматриваются как сложные гетерогенные системы, состоящие агрегатов белковых макромолекул, с основными и боковыми гидрофильными вет-

вями, определяющими энергетику и характер их взаимодействия в водных композици ях. Теоретической базой при рассмотрении таких взаимодействий может служить мо-лекулярно-кинетический принцип, при котором пищевые продукты рассматриваются как сложные биополимерные системы. В качестве основной модели рассматривают« процессы обезвоживания рыбных гидролизатов. Их массовлагообменные и термодинамические характеристики являются функцией химического состава и структуры, зависят от методов обработки и могут изменяться в широких пределах.

Исследования, представленные в работе, выполнялись в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР, комплексной целевой программы «Пелагиаль». Экспериментальные исследования проводились в тесном сотрудничестве с уче ными и специалистами Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), института ВНИЭКИПродмаш, Мое ковского государственного университета пищевых производств, Московского государственного университета прикладной биотехнологии, МГУ им. М.В. Ломонс сова, Астраханского государственного технического университета.

Автор выражает глубокую благодарность своему Учителю заслуженному деятелю науки и техники РФ д.т.н. профессору A.C. Гинзбургу , академику

РАСХН И.А. Рогову за научные консультации и содействие в выполнении рабо ты.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

В первой главе дается обзор и анализ современного состояния исследований процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии, ана лиз конструкторских решений пеносушилок. Сущность методов пеносушки заключается в образовании стабильной пены из жидких или пастообразных продуктов, распределении ее на рабочих поверхностях и сушке при различных спо собах энергоподвода. Стабильные пены могут быть образованы как из натуральных продуктов, так и при помощи добавок различных пищевых пенообразо вателей и пеностабилизаторов. Дается анализ методов нанесения вспененного продукта на рабочие поверхности пеносушилок, характеристика различных способов пеносушки: в тонком слое, «спагетти», кратерированием», общей характе ристикой которых является обеспечение развитой поверхности внешнего влага

бмена. Анализ работ в этой области (Aceto N.C., Morgan А.1., Ginnete L.F., Sin-amon H.Í., Mink L, Lewtcki P.P., Велчев И., Сербезов Д. И. др.) показывает, что ютоды пеносушки обеспечивают высокое качество сухого продукта при доста-очно компактных конструкторских решениях леносушилок.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ жидких ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТА КАК ОБЪЕКТА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Физико-химические свойства жидкого продукта

Поверх- Кратность Стаби Дислер Реология

ностное пен ль- сность жидкости и

натяже- ностъ лен лены

ние пен

Термовлагообменные свойства

Статические ссрбцион-ные характеристики (изотермы сорбции, десорбции)

Теплофизические свойства, терморадиационные характеристики

Рациональные способы и режимы вспенивания

Термодинамика взаимодействия продукта с водой_

Аэродинамический Перемешивание Вибрационный

Составляют ие уравнения Гиббса-Гельмгольца

Термодинзмиче

ские ко э ффици енты массоперсноса

Составляющие

внутреннего массопереноса

КИНЕТИКА ПЕНОСУШКИ

Экспериментальные исследования

Аналитические исследования

Выбор способа пеносушки Выбор способа Оптимизация процесса по

энергоподвода целевым функциям

сплош- жгуты, напы- кратери конвект кондукт ик евч Максими- Энерге- Стоимост

ной слой спагет ление рование зация тическая кая

пены ти произв-ти

КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ

Конструир рировани? дукта на ование и расчет устройств для гене-пенной структуры и нанесения лро-рабочие поверхности пеносушилок Конструирование и расчет сушильных установок

Пеногенера тор Устройство для нанесения лены на рабочие поверхности Устройство для съема сухого продукта Конструирован» е сушильной установки Вспомогательное оборудование

ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ

Для продуктов без добавления ПАВ | Для продуктов с добавлением ПАВ

Технология и режимы подготовки продукта к леносушке

Технология вспенивания

и режимы работы пеногенераторов

Технологические операции и режимы процесса сушки

Технология, режимы хранения и упаковки сухого продукта

Рис.1. Структура исследований процессов сушки

жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии

Анализ работ Секей Е.З., Хорошей Э.И., Рысина А.П., Кузнецова B.C., Сы-роедова В.И., Гинзбурга A.C., А. А., Османова С.Г., Красникова В.В., Казиахме-дова М.Н., Аминовой Э.И., Лукьянченко П.П., Космодемьянского Ю.В., Алекса-няна И.Ю., Рогова И.А и др. по сушке продуктов во вспененном состоянии позволил сформулировать научно-методический подход и определить поле исследований (рис.1). Предлагаемый подход к исследованиям сушки жидких продуктов во вспененном состоянии сохраняет преемственность основных теоретических положений теории сушки, развитых в работах A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, В.В. Красникова, И.А. Рогова и их школ. Ввиду значительной доли сугубо физико-химических исследований, на основании которых проводится анализ механизма обезвоживания, решена проблема взаимоувязывания целей и задач в системе исследований процессов сушки. Эти исследования группируются по четырем основным блокам. В свою очередь эти блоки состоят из направлений, по которым разрабатываются отдельные аспекты или методы. На базе приведенной схемы сформулированы цели и задачи всей работы, программа проведения исследований по различным направлениям, обеспечивающим единый взгляд на теоретические проблемы сушки пищевых продуктов во вспененном состоянии.

2. ОЦЕНКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ КАК ОБЪЕКТОВ СУШКИ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

Вторая глава посвящена исследованию механизма образования и стабилизации пенных структур, пригодных к пеносушке. При этом жидкие пищевые продукты рассматриваются как биополимерные водные композиции, состоящие из белковых осколков с различным количественным соотношением поверхностно-активных компонентов в водной среде, что обеспечивает высокую пенооб-разующую способность.

Из основных свойств, характеризующих пенную систему, можно выделить:

1. Кратность пены, выражаемую отношением объема пены V„ к объему жидкости V^ пошедшей на ее образование

Р = VJ Vx =(Vr +VJ/ уж, (1)

где Va - объем газа в жидкости;

2. Стабильность (устойчивость) пены - продолжительность существования

определенного элемента пены или определенного ее объема; 3. Дисперсность пены - обычно выражается средним диаметром пузырьков газа, общей поверхностью раздела раствор-газ в единице объема пены.

Ряд авторов считает пену пригодной для пеносушки, если она не образует димого осадка в течении не менее 15 минут. В первом приближении целесо-разно за критерий устойчивости принять

5 = (Уж - Уос)/Уж , (2)

э Уос - объем выделивщегося из пены осадка в течение 15 минут.

В принципе это вполне обоснованный подход, так как он учитывает затра-времени на процесс нанесения пены на рабочие поверхности, движение пененного материала до начала интенсивного влагоудаления и пр. Однако э слишком жесткое условие для большой номенклатуры продуктов и его сле-ет рассматривать лишь как сравнительную оценку устойчивости пенной эуктуры.

Поведение жидкости в пене, находящейся в гравитационном поле, опре-ляется соотношением между капиллярными силами и силой тяжести, выра-:нным в виде условия гидростатического равновесия

Зрп/дЬ +Рё~0, (3)

; дрп/ЗЬ - градиент давления жидкости в канале Плато по высоте.

В зависимости от абсолютного значения величин в уравнении (3) проис-цит истечение жидкости в поле сил тяжести (р8 > - дрц/дЬ) или капиллярное эсывание (р* < - дрп/дЬ).

На рис. 2-а показаны типичные кривые истечения жидкости из пен. Участок 1вых истечения до наблюдающейся точки перегиба соответствует лишь чис-гидродинамическому механизму истечения. Далее начинается утончение сорбционных слоев до состояния термодинамически неустойчивой пленки, этой стадии становится существенным влияние капиллярных сил. При по-шении концентрации растворов большую роль играет, по-видимому, объем-я вязкость пленок, значительно замедляющая скорость истечения. Кривые рис. 2-6 показывают, что истечение жидкости проходит в три этапа: ско-сть вначале увеличивается до некоторого максимального значения, затем а остается постоянной и, наконец довольно быстро снижается. Темп сниже-

она остается постоянной и, наконец довольно быстро снижается. Темп снижения скорости у продуктов с различными концентрациями примерно одинаков, что свидетельствует о превращении пленок пен в соединенные адсорбционные сольватированные слои. Увеличение концентрации продуктов существенно влияет на кинетику истечения жидкости из пены: уменьшается скорость и увеличивается продолжительность истечения.

а)

О 5 10 15 20 25 3 Продолжительность истечения, мин

6)

0 5 10 15 20 25 30 Продолжительность истечения, мин

Рис.2. Кинетика истечения жидкости из пен растеоров РГ

Известно, что поверхностно-активные свойства биополимерных композиций зависят от длины и разветвленное™ углеводородных цепей, наличия в их составе полипептидов, полисахаридов, осколков высокомолекулярных пептидных цепей, аминокислот, витаминов и пр. Так как длина и разветвленность углеводородных цепей находится в прямой зависимости от степени расщепления молекул белков, то режим гидролиза влияет на параметры пенных структур. Анализ зависимостей (рис. 3) максимальной кратности пен, их стабильности при концентрации 30% (кривая 3) и 45% (кривая 2), поверхностного натяжения растворов рыбных гидролизатов (РГ) от продолжительности автопротеоли-за показывает, что все зависимости носят явно экстремальный характер. Очевидно это связано с механизмом ферментативного распада белков под действием комплекса протеолитичеекмх ферментов. Экстремальные значения исследуемых параметров соответствуют, очевидно о накоплении в растворах

глковых осколков определенной длины углеводородной цепи, максимально жижающих поверхностное натяжение водных композиций.

У Р>тах

3 2ч (М 1

ь _2

? /1

1

1

ч

I 1 1

¿3 1 1

1 1 II III

11 1 1

<5У£ 11/и

2 4 6 8 10 12 14 16 16 20 22 Ы Продожитедьнзсть алтопротаогиза, ч

Рис.3. Зависимость максимальной кратности Ртзх (1), стабильности 5 пены (2,3), поверхностного натяжения <х(4) раствора РГ от продолжительности автопроте-олиза

При достаточно толстых пленках влиянием межмолекулярных сил ад-¡рбционных слоев можно пренебречь и вязкость пленки приравнять исходной 13кости раствора, которую можно исследовать известными методами.

Рис.4. Зависимость эффективной кинематической вязкости V от концентрации растворов РГ

Зависимость эффективной кинематической вязкости от концентрации растров рыбных гидролизатов (рис.4) носит экспоненциальный характер во всем :следованном диапазоне температур. Четко просматривается наличие сингу-фных точек при концентрации около 30%, что объясняется образованием ас-

социатов макромолекул, наличие которых подтверждено исследованиями методами электронной микроскопии.

Температурные зависимости кратности и стабильности пен при концентрации 30% имеют ясно выраженный максимум в диапазоне 10-20°С. Возрастание кратности пен в этом диапазоне объясняется преимущественным влиянием повышения поверхностной активности РГ с повышением температуры, меньшим влиянием вязкости растворов. При дальнейшем повышении температуры стабильность падает из-за преимущественного влияния уменьшения вязкости жидкости, находящейся в пленках. На процессы вспенивания фруктовых соков также значительно влияют температурные условия и тепловая обработка в технологии их получения, нагрев до 100°С снижает поверхностную активность и, как следствие, пенообразующую способность и стабильность пены.

Рис.5. Зависимость стабильности S (1,2) и кратности р (1',2') пены от рН- раствора РГ с кон -центрацией 30% с.в.

1-1' - т<р~ 6 час;

2-2' - тф= 48 час

рН водных композиций сильно влияет на параметры пенообразования и стабильность пенных структур (рис.5). Максимальную кратность пены имеют водные композиции при рН = 4,5-5,0 независимо от глубины гидролиза, что соответствует изоэлектрической точке многих белковых композиций и согласуется с данными по пенообразованию растворов желатина, лактальбумина, кукурузного гпютена и т.п. Здесь проявляется механизм конформационных изменений белковых макромолекул при различных значениях рН среды. Максимум 5 (рис.5, кривые 1,2) наблюдается при рН~7,0, что соответствует минимальной плотности и максимальному объему гибкой белковой макромолекулы.

Стабилизация пен растворов РГ гидрофильными коллоидами, работаю-(ими по механизму повышения вязкости водных композиций, не дает удовле-зорительных результатов. Преимущественное влияние оказывает понижение эверхностного натяжения добавлением ПАВ. Практическая проверка при пе-осушке стабилизированных пропиленгликольмоностеаратом и лактилирован-ыми моноглицеридами РГ показала их пригодность при концентрациях в рае-зоре 1,5-2,0%. При стабилизации натрийлаурилсульфатом концентрация его эставляла 0,2% к раствору или 0,42% к сухому веществу. Хорошо растворный монолауринат сахарозы показал отличные результаты при стабилизации зн при конвективной пеносушке рыбных гидролизатов, концентрированного эматного сока, экстрактов кофе и чая.

3. ТЕРМОВЛАГООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ КАК ОБЪЕКТОВ ПЕНОСУШКИ

Исследования и анализ процессов сорбционного взаимодействия продук-)в с водой. Основная доля экспериментальных исследований выполнялась на >рбционных установках с использованием пружинных кварцевых весов. На 1С.6 представлены типичные изотермы сорбции РГ, полученных методом ав->протеолиза из мелкой рыбы (каспийская килька, мелкий анчоус, мойва). Вид швых А„={(1!р) по классификации БЭТ ближе всего подходит к изотермам III та.

Изотермы РГ значительно отличаются от изотерм многих известных пище-.IX продуктов, объяснение чему необходимо искать при рассмотрении РГ как южных биополимерных систем, к которым применимы основные теоретиче-:ие положения физико-химии полимерных и белковых веществ, разработайте в трудах В.А. Каргина, Г.Л. Слонимского, А.И. Китайгородского, ряда запад-»IX и японских исследователей. Анализ изотерм выявляет различия в сорбци-шой активности РГ по способу получения (кислотный, ферментативный) и ви-' сырья (рис.7). Во всех случаях ферментативные РГ сорбируют влагу боль-э, чем кислотные.

Графически представив изотермы в координатах /л А„ = {(1!р) (рис.6,7) 1лучаем ломаные линии. Сингулярные точки разграничивают различные про-!ссы сорбционного взаимодействия, при этом: 1-зона соответствует электро-

статическому механизму объемного заполнения активных сорбционных центров, при этом формируется собственно сорбционная поверхность; И-зона - полимолекулярной сорбции при сохранении жесткой структуры макромолекул; III-зона - аморфизации и набухания, при этом молекулы биополимера теряют свою жесткую структуру и начинают приобретать энергетически выгодные кон-формации; 1\/-зона - растворение биополимера до бесконечного разбавления.

Рис.6. Изотермы сорбции РГ из каспийской кильки (автопротеолиз)

0.6 0.8 1,0 1.2

Влагосодержаннс, Цр. г/г_

Рис.7. Изотермы сорбции ферментативных и кислотных РГ из мойвы

Примечательно, что растворение начинается при А^ 0,65-0,70, эта величина согласуется для большого ряда полимерных и биополимерных материалов при взаимодействии их с молекулярно совместимыми сорбатами.

Из большого числа аналитико-эмпирических уравнений, удовлетворитель-ю аппроксимирующих изотермы в широком интервале наибольшее внима-:ие привлекает уравнение И. Бредли и В. Уилкинса, рекомендуемое A.B. Кисе-!евым

Aw= Up е.хр (Ct+C2 Up+C} и/+с4 U/+...) =

= Vpexp(ZCi UJ-1) (4)

Выявлено, что зависимость коэффициентов С/ от обратной величины тем-ературы носит линейный характер и приближенно аппроксимируется уравне-ием

с; = В; -QJRT (5)

Подстановка уравнения (5) в уравнение (4) дает соотношение (6), связы-ающее величины Aw ,Up,T.

Aw- Upexp(ZBj и ft - Щ UJ-'/RT), (6)

цесь /f=8,314 Дж/моль; 7"-температура, К; Qr вириапьные эмпирические ээффициенты.

Подставив вычисленные по экспериментальным данным значения В,-, Q, олучим

Upcxp{(4.06-11.85Up+12.62U/-6.24U/+1.15Up4) -(7792.8-24155.8üp+27512.3V/.13541.1U/+2441.9U/)/RT} (7) Рассчитанные по уравнению (7) и экспериментальные данные удовлетво-ительно согласуются, максимальная ошибка аппроксимации не превышает ,5% Up и относится в основном к области А„= 0,12, а в области Aw~ (0,15 - 0,8) гносительная ошибка не превышает 0,5% Up.

Теоретические модели сорбционных процессов многих исследователей dockland L.B. и Henderson S.M., Bull H.A. и Strolle E., McLaren А. и Rowen J.W., laeser R. и Mehering J., Kaury B.J. и Spenelli J., Г.А. Егоров и др.) показывают а экспоненциальные зависимости Up от Aw. На определенных участках изо-;рмы можно описать уравнением вида

inAw= a; Up+ Ь, , (8)

здесь а,-, Ь, -эмпирические коэффициенты. Выявлено, что на l-ом и IV- уча-гках эти коэффициенты не зависят от температуры, а на II и III участке коэф-

фициенты зависят от 1/Т. При этом относительная ошибка аппроксимации во всем диапазоне Ц, не превышает 0,5%, что значительно меньше, чем при аппроксимации уравнениями Брэдли-Уилкинса.

Многие авторы на основании исследований активности микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, рекомендуют хранить их обезвоженными до влаги «монослоя». По форме изотерм условно можно считать, что при Up к 0,1 0,2 кг/кг завершается образование «мономолекулярного слоя» и рекомендуется длительное хранение продукта. На заключительных этапах технологической обработки сухих продуктов расфасовку и упаковку имеет смысл производить в среде с относительной влажностью воздуха не более 15%.

Трактовка состояния связанной воды по данным изотерм сорбции на 4 качественных участка подтверждена исследованиями структуры связанной воды методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), данными термографиметриче-ского анализа, а также калориметрическими измерениями теплоты растворения.

Известно, что движущей силой сорбции (десорбции) является разность химических потенциалов свободной и связанной воды. Химический потенциал влаги, поглощенной телом можно представить в виде:

И = (dF/аи)т>р- (dFo/dU)Trp+ (dAF/dU)T¡p= Ио+А(9) где F-изобарно-изохорный потенциал; /лц - химический потенциал свободной воды; Ají - разность между химическими потенциалами свободной и связанной воды.

Пренебрегая работой расширения пара, в изохорно-изобарно-изотермическом процессе Ар равна дифференциальному изменению свободной энергии Гиббса-Гельмгольца. При условии, что пар подчиняется законам идеальных газов, в соответствии с уравнением Кельвина в равновесных условиях ,имеем

А/1 = (dAF/o'Up)-¡-p =RT 1п Aw, (10)

учитывая аппроксимирующие уравнения Брэдли-Уилкинса (4) получим Ají =RT(io Up+4,06-11,85Up+12,62 U/-6.24 U/+1.15 Up4)-

(7792,8-24165,8 l/p+27512,3 U/-13541,1 U/+2441,9 Uf) , (11)

где Я =8,314 Дж моль'1 град"1; Т- температура, К.

При дифференцировании (11) по Г получим выражение для дифференциального изменения энтропии связанной воды

д стг/<9ир)т/(?т= - (дЛБ/ди^г =

= Я(1п1)р +4.06-11.851)р +12.52 11/-6.24 и/+1.15 и/) (12)

Второй член в уравнении (11) представляет собой дифференциальное изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции

МЕ/Щ,= -(7792,8-24165,8 ир+27512,3 ир2-13541,11!р3+

+ 2441,9 ир4) (13)

Здесь, кстати, и проявляется удобство аппроксимации изотерм уравнением >рэдпи-Уилкинса, т.к. оно охватывает весь диапазон влагосодержаний изотерм.

При аппроксимации изотерм уравнениями (8) имеем ^¡асхок Аи, = (с>АГ/с-)ир)т,(Г-ПТ(С}-С2ир) (14)

участок Лцп «= (дАГ/дир)т>р =~ПТ(С,-С6ир)+(СгС4ир) (15)

.Ыасток Лщ = (дАГ/дир)Тр = -ИТ(С9ир-Сю)+(С7ир-С8) (16)

^участок,^/ = (дЛ!Уоир)71(Г-Г1Т(С12-Спир) , (17)

■\е С-, - С12 - аппроксимирующие коэффициенты для каждого участка изотерм.

На рис. 8 представлены рассчитанные на ЭВМ составляющие (12 и 13) равнения (11). При этом видно, что дифференциальное изменение изохорно-зотермического потенциала (свободной энергии) дАР1сНр<0, что характерно ля систем, в которых происходит самопроизвольное растворение. Интересно, го при 0,5кг/кг кривые при различных температурах пересекаются. Это ожно объяснить различным влиянием температуры в механизме взаимодей-гвия РГ с водой.

При исследовании теплот растворения РГ отмечено, что процесс раство-эния носит экзотермический характер вплоть до ир = 0,55-0,6 кг/кг. Это близко эвпадает со значениями дифференциальных теплот сорбции (уравнение 13).

Анализ зависимостей (11-13) показывает, что тепловые эффекты связыва-1Я воды АЕ в общем балансе свободной энергии ЛЯ для продуктов глубокого ¡дролиза незначительны, что является нехарактерным для большинства лиевых продуктов, имеющих жесткий молекулярный каркас (хлеб, мясо, зерно-

вые и т.п.). Значительную величину имеет энтропийная составляющая (ТАЭ), свидетельствующая о сильном влиянии межмолекулярных взаимодействий воды и продукта.

Рис.8. Зависимость свободной дйР/Ш (1,2), связанной -ТЛ8/си (4,5) и внутренней дАВ/сИ (3) энергии о влагосодержания для РГ из каспийской кильки

Влагоперенос в стационарных температурных условиях внешнего массо-обмена определяется разностью химических потенциалов поверхности Ацп и среды Лцср, а также коэффициентом массообмена ат, отнесенного к разности химических потенциалов

1т- а.тШ1п- А/Лср) (18)

На основании уравнения Кельвина Ац = RTIn Aw величина Ар отрицательна и, соответственно, разность (Afi„- AficP) при незначительных значениях Aw будет тем больше, чем меньше величина Л/х„ .

Поток влаги внутри материала на основании основного закона переноса равен

]Ш=-ХШУ(АМ), (19)

где Ят - коэффициент влагопроводности материала; V(Api) - градиент потенциала массопереноса. Во влажном состоянии материала потенциал массопе-реноса зависит от влагосодержания и температуры

V(A/i)— (dAfi/âU)TVU + (dAfi/cT) ¡jVT (20)

Для изотермических условий (Т - const) потенциал массопереноса является однозначной функцией влагосодержания

l^-Xm(dAM/3U)r Уи=-(Х„/Сш p0)p0VU = ajj0VU, (21)

где ро - плотность сухого материала; am = (XJC^) р0 - коэффициент потенциа-лопроводности массопереноса; Ст= (ЗЛдАц)г - введенная А.В. Лыковым удельная изотермическая массоемкость материала. Значения Ст могут быть рассчитаны с учетом аппроксимирующих уравнений изотерм (7 и 8). При аппроксимации по уравнению (7) получим

Cm=1/{RT(1/Up + (¡-1)ЕВ{и;-2)-0-1)Х(1Ур-1} (22)

Для РГ из каспийской кильки (автопротеолиз) значения Ст представлены на рис. 9 (кривые 1). В процессе обезвоживания уменьшение Ст способствует увеличению коэффициента массопроводности ат , при этом темп увеличения ат зависит от температуры, что свидетельствует о целесообразности подогрева материала лишь на III участке изотерм сорбции.

Для неизотермических условий, с учетом уравнений (20) и (21) имеем i^-lJ8Ap/8V)T VU -XJdAji/dT^VT =

=-(Ял/Ст p0)p0VU-(ЯУСШ p0)p0Cm(dAji/dT)uVT^aap0VU -аюРо5р VT(23) Величину др = Cm(o'A/jJ(7T)u можно рассматривать, согласно А.В. Лыкову, как термодинамический параметр, определяемый отношением перепада влагосо-цержаний к перепаду температур при Jm=0.

Тогда при неизотермических условиях необходимо учитывать эффекты массопереноса, возникающие при наличии температурного градиента. При эбезвоживании раствора (IV участок изотерм) необходимо учитывать эффект ^оре

Js ~~атРо SsVTr (24)

где 5S -термодиффузионный коэффициент Соре.

При дальнейшем обезвоживании, соответствующих III участку изотерм в ;лучае неизотермического переноса влаги может иметь место перенос жидкости, обусловленный градиентом расклинивающего давления VflT, возникающего за счет понижения поверхностного натяжения при повышении температуры. Гак как VflT пропорционально VT получим

/г„л = КГпл Р77г - ¡Рал УТ (25)

Рис.9. Зависимость удельной и; термической массоемко< Ст (1), температурного (дЛу!дГ) (2) и термогра; ентного 5р (3) коэффици ентов массопереноса 01 влагосодержания РГ

При уменьшении в процессе сушки расстоянии между макромолекулами величина Лглл уменьшается и наибольшее влияние приобретает «термоосмотический эффект», впервые экспериментально обнаруженный Б.В. Дерягиным и Г.П. Сидоренковым. Поток влаги, обусловленный температурным градиентом, будет равен

)то = Кго?Т, (26)

где Кто- термоосмотический коэффициент. При определенных условиях Упп и JTo создают циркуляцию потоков влаги в объеме продукта.

При движении влаги в виде пара, из-за малых межмолекулярных расстояний и высокой плотности структуры продукта, имеет место эффузионный перенос пара. При наличии температурного градиента возникает термоэффузион-ный поток пара

/эт = -КэТуТ, (27)

где Кэт - коэффициент термоэффузии.

Таким образом все виды неизотермического массопереноса при обезвоживании биополимерных материалов обусловлены действием двух термодинамических величин (5ри 7Т \ в соответствии с уравнением (23) получим:

Л, =-h.fi»^Ро(8. + 8,+8М+ 5то )УТ (28)

Выражение в скобках, являющееся в общем виде суммой коэфициентов различных эффектов, имеющих место на различных интервалах влагосодержа-ний при наличии температурного градиента, может характеризоваться величиной (рис.9, кривая 3)

Ст{МцА7Т)и (29)

Уравнение (23) можно записать в скалярной форме

/ш [(ди/дп) ± 5раТ/дп], (30)

где сЗЛсП и - скалярные значения градиентов влагосодержания и температуры. Тогда направление и величина результирующего потока влаги зависят от соотношения потоков влагопроводности и термовлагопроводности.

Характерно, что повышение температуры раствора вызывает увеличение 8Р, что связано с увеличением подвижности молекул связанной воды. Изменение характера этой зависимости на участке «влаги аморфизации» связано, очевидно, с изменением характера переноса жидкости при сушке; действие эффекта Соре прекращается, влага перемещается в основном в виде пленок, обволакивающих молекулы продукта. Повышение температуры материала усиливает пленочный влагоперенос.

Существует мнение, что равенство 5Р нулю означает границу перемещения влаги в жидкой фазе внутри материала, после чего зона испарения углубляется внутрь материала и общий поток влаги будет определяться, в первом приближении, процессом молекулярного течения пара (эффузией), осложненной тем, что микрокапилляры, по которым проходит пар, частично заполнены жидкостью и во время сушки могут уменьшать свой проходной размер. При этом происходит как бы закупорка микрокапилляров; в материале остается значительное количество воды в жидкой фазе. Термоэффузионный эффект усиливает процесс «проталкивания» жидкости внутрь материала, процесс сушки резко замедляется. Именно этими эффектами можно объяснить низкую эффективность традиционных процессов обезвоживания многих биополимерных материалов.

В стабильных пеноструктурах термоградиентный коэффициент 8Р при уда-пении «влаги раствора» будет работать внутри каналов Плато, вода перемещается по каналам Плато за счет разности ее концентраций между адсорбци-

онными слоями. Термоградиентная составляющая внутреннего влагопереноса в зависимости от знака (¿роТ/оЬ) будет либо способствовать, либо препятствовать такому движению влаги. Величина (дТ1ск\) может быть управляема использованием различных видов энергоподвода (конвективный, кондуктивный, СВЧ, ИК). Здесь использование кондуктивного подвода тепла нецелесообразно, т.к. создается противодействующий поток влаги, что способствует потере стабильности пенной структуры материала при сушке. Целесообразно использование конвективного энергоподвода. Использование СВЧ или ИК-нагрева, как способов объемного нагрева вспененной структуры продукта, минимизирует [ЗПсЬ), что способствует стабилизации внутреннего потока влаги ¿т и создает условия интенсификации процесса сушки. При этом предпочтительным является интенсификация внешнего влагообмена.

В нестабильной пенной структуре в уравнение (30) необходимо ввести поток жидкости Jg, стекающей по каналам Плато под действием гравитационных сил.

/т [(ди/дп) ± 8рдТ/дп] ±]е (31)

Величина Jg может быть определена по кривым кинетики истечения жидкости из пен (рис. 2-6). Т.к. внутренние потоки влаги определяют устойчивость пенной структуры, то для осуществления процесса обезвоживания во вспененном состоянии должно выполняться условие

{-*шРо кза/дп) ± 8рдТ/дп1} > (32)

Оптические и терморадиационные характеристики продуктов пеносушки.

Данные по оптическим и терморадиационным характеристикам продуктов являются базой для подбора и расчета режимных параметров сушильных установок. Практический интерес представляют спектральные отражательные (7?^, пропускательные (Тх) и поглощательные (Лл) характеристики вспененных жидких пищевых продуктов. Целью исследований являлось определение ориентировочных характеристик для выбора типа ИК-генераторов для нагрева вспененной структуры продукта в процессе сушки в условиях стабильности пенной структуры в статических условиях экспериментов.

Направленно-полусферические терморадиационные характеристики (ТРХ) Ях, Тх, Ах) вспененных рыбных гидропизатов (РГ) получали при длинах волн 0,4 -1,4) мкм из одного опыта методом интегрирующей сферы для комплексно-о измерения терморадиационных характеристик. В диапазоне волн (1,0 - 5,0) лкм эти характеристики получали однолучевым методом зеркальной полусферы с помощью усовершенствованных измерительных устройств к спектрофото-летрам СФ-26 и ИКС-12. Двуполусферические спектральные ТРХ (рис. 10), со-яветствующие диффузному облучению, а таюке оптические (рис.11) характе-)истики (ОХ) определялись экспериментально-аналитическим методом С.Г. Ильясова и В.В Красникова на ЭВМ по данным направленно-полусферических ГРХ по специальной программе.

Рассчитаны интегральные ТРХ и ОХ по отношению к различным ИК-енераторам (КИ-220-1000 при 220 В и 100В, а также нихромовым спиралям в варцевых трубках). По отношению к этим излучателям рассчитывались инте-ральные ТРХ

А ~ (¡ЕХПЛХС!Х)/(1Е1ПЛ) = (ЕЕ1ПЛкЛ1)/(ЕЕшЛл) (33)

где Ах - спектральная полусферическая величина (^д,-Н7";,я-), осредняе-лая по спектральному составу падающего потока; Е^ - спектральная плотность гадающего потока, зависящая от характеристик выбранного ИК-генератора и словий облучения материала; АХ - конечный спектральный шаг длин волн. Для ^посредственных вычислений в уравнение (33) вместо Еш подставлялась ¡езразмерная величина, относительная интенсивность излучения ИК генерато-1а

ЪУН1па1 (34)

це йЯи - спектральная плотность потока излучения (Вт/м2мкм); - спек-

ральная плотность, соответствующая максимуму излучения генератора. Полу-ены уравнения при толщине пенослоя / = 10"3м

/?=-//, 105 1(Н \У+0,2804; Г= -4,15 Ш4 XV-ЬО, 051 А ~1-(Т+Т1), здесь ИР- влажность материала. (35)

Вычислялись оптические интегральные характеристики: коэффициент ффективного ослабления, м~1; И - осредненный коэффициент поглощения, м'1

L - (l/l)ln{(l-R R^)/T) ; (36)

Рис. 10. Спектральные двуполусферические ТРХ пенослоя пpиW=27% Рис. 11. Спектральные оптические характеристики пенослоя РГ при \Л/=27%

Рассчитывались функции распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения со(х) по глубине оптически тонкого пенослоя на холодной подложке для различных ИК генераторов

(ф) = КЕп{(1+ П^)}/ехр(-Ьх) -(Д3<//П„)ехР(Ьх)] (37)

где R~ (1-Яп Я^); у/= Я^хр(-и),

при /= 10-3м - толщина пенослоя.

JOOOO

I

6QOO

нихром, спираль в кварцевой трубке о- КИ-2204000,220В э- КИ-220Л000.100В

0,3 О.Ч 0,6 0,8

Рис.12. Распределение объемной

плотности поглощенной энергии излучения а(х) в слое пены при облучении оптически тонкого слоя на «холодной» подложке:

-\Л/= 27%;

-----уу = 8%

Анализ спектральных ТРХ и ОХ пенных структур с различной влажностью, а также функций ео(х) (рис.12) помогает выбрать оптимальный вид и напряжение излучателей: КГТ или КИ-220-1000 при U=100B, Лтзх-1,6 мкм при высокой влажности и повышение напряжения на лампах до 220 В при малой влажности.

По совокупности эффектов ИК-энергоподвод является вероятно оптимальным при сушке продуктов во вспененном состоянии, особенно с учетом потоков влаги внутри пенной структуры.

4. КИНЕТИКА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ

В 4-ой главе описана практическая проверка теоретических положений термодинамического анализа при сушке РГ во вспененном состоянии с различными видами энергоподвода. В качестве целевой функции при исследовании процесса конвективной пеносушки выбран выход сухого продукта с единицы эабочей поверхности сушилки в единицу времени

у=п= 60Сс/17га К1'/М2час (38)

■де вес сухого продукта, кг; Р- площадь сушильной поверхности, м2; гс - продолжительность сушки, мин.

Продолжительность сушки рассчитывались на основании кривых сушки, при этом конечное влагосодержание определялось на основании изотерм ;орбции, для РГ И5%. Основные определяющие факторы и пределы их варьирования представлены в таблице .

Таблица

Наименование Обозначе- Индекс Пределы Размерность

фактора ние варьирования

Скорость V 1,0-10,0 м/с

воздуха

Температура воздуха с Хг,£? 65-110 °С

Относительная Р Х3, ¿> 0,25-2,5 ми

влажность воздуха

Толщина пенослоя 8 х4, г4 20-100 %

При использовании методов математического планирования эксперимен-"ов по плану ПФЭ-2 с получены математические модели процесса в линейной £юрме

У = 1.157+0,432X1+0,405Х2 -0,165Х3+0,167Х,Х2 -0,124Х,Х3 -

0,089Х2Х} -0,073Х]Х2Х} (39)

В этой зависимости У - величина выхода процесса в натуральной размер-юсти; X, - величины факторов, выраженные в интервалах варьирования и отсчитываемые от уровня, принятого за основной (нулевой) при планировании и

осуществлении экспериментов. Соразмерность степени воспроизводимости со степенью адекватности уравнения исследуемому процессу, произведенная по критерию Фишера, показала адекватность полученного уравнения регрессии исследуемому процессу.

Для получения математического описания процесса в степенной форме использовались те же самые методы ПФЭ-2, при этом предусматривалось логарифмирование как выхода процесса, так и значений факторов, определяющих условия протекания процесса в каждом опыте.

Обозначив 1 - 1пУ-логарифм выхода процесса, находим

2?= 0,009737+0,382^+0,347& - 0,1075^+0,0197^г -

0,05965^3 - 0,02245^3 .0.024Ц££3 (40)

При статистической проверке значимости коэффициентов уравнения (40) по общепринятой схеме при помощи квантилей нормального распределения имелось ввиду, что операция логарифмирования может изменить закон распределения логарифма случайной величины и с принятым уровнем значимости дисперсии могут быть неоднородными. Поэтому значимость коэффициентов уравнения (40) оценена в процессе проверки адекватности уравнения по критерию Фишера, мало чувствительному к закону распределения. Процедура определения максимально необходимого количества членов уравнения (40) сводилась к проверке адекватности этого уравнения с различным набором членов. Адекватное уравнение регрессии при принятом уровне значимости 0,05 в логарифмических координатах имеет вид

Z=/л у = 0,382^+0,347^ - 0,1075^+0,0197^2 -

0,05965%& - 0,022454^3 -0,0249^3 («)

При целевой задаче максимизации значения функции отклика наибольшее влияние оказывают факторы: £ - скорость воздуха, имеющий максимальный коэффициент и & - температура воздуха. Положительные знаки коэффициентов свидетельствуют о том, что с увеличением значения фактора растет величина функции отклика, при отрицательном знаке - убывает. Уменьшение -толщины слоя пены, ведет к максимизации функции отклика У. Из эффектов межфакторных взаимодействий наибольшее влияние оказывает сочетание имеющее отрицательный коэффициент. Для максимизации функции отклика

при наибольшем оказывает влияние уменьшение толщины слоя пены . Интерпретация действия других межфакторных взаимодействий, в том числе

. аналогична. Примечательно, что коэффициенты межфакторных взаимодействий на порядок ниже коэффициентов при линейных членах, что свидетельствует о меньшем их влиянии на выход сухого продукта.

В то же время наличие значимых коэффициентов межфакторных взаимодействий свидетельствует об искривлении поверхности отклика и не отвергает гипотезу о значимости суммы коэффициентов регрессии при квадратичных членах, т.е. поверхность отклика могла бы быть описана полиномом второго порядка. Оценкой этой суммы является разность между В0 и значением выхода процесса в центре плана эксперимента (£• =0). Координаты центра эксперимента рассчитывались при V=3,19 м/с, t=84,5°C, 5 = 0,79 мм. Средний выход процесса при 4-х повторностях составил 1,02 кг/м2час. Разность между средним выходом процесса и В0 = ехр 0 = 1,0 не превышает ошибки эксперимента. Следовательно, гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессии при квадратичных членах не может быть принята, уравнение (41) адекватно описывает исследуемую гиперповерхность.

Максимальный выход процесса имеет место при V=10 м/с, t=110°С, 5 = 0,25 мм. Указанные параметры находятся на границе технологических ограничений, дальнейшие поиски максимизации процесса при принятом методе сушки нецелесообразны.

Интерполяционная формула, описывающая процесс конвективной пено-сушки РГ в натуральной размерности после обычных алгебраических преобразований принимает вид

Z— In у « 0,3321n(V/3,t6)+1,321n(t/84,5) - 0,0931а(5/0,79)+ + 0.065In(V/3,16) ■ ln(t/84,5) - 0,045In(V/3,16)In(S/0,79) -0,074Ь(t/84,5)ln(S/0,79) - 0,07141a(V/3,16)ln(t/84,5)ln(8/0,79) = - 0,1081a V+l,2471at - 0,081a5+0,0481n Vlat - 0,0081a tlnS --0,071h vintlad - 5,924 (42)

После потенцирования уравнение (42) можно переписать в мультипликативной форме

П=0,0027\/0-108+00481п111-25-°-0081шВд -(0.08+0,071пУ1ш)^ кг/м2час (43)

Характер кривых сушки тонких (0,25 мм, рис.13) и толстых (2,5 мм, рис.14) пенослоев при различных параметрах воздуха свидетельствует о сложном механизме обезвоживания. Температурные кривые, снятые в середине толстого пенослоя (рис.14), двояко выпуклы, при этом полностью отсутствует период постоянной температуры. Это свидетельствует о малой теплопроводности пенослоя, сложном механизме переноса растворенных веществ и влаги внутри пены. Характерно, что первая точка перегиба температурных кривых приходится на влагосодержание V/0 = 60-70%, с которой и начинается уменьшение интенсивности влагоотдачи. На перенос тепла и массы в пенослое оказывает влияние движение пленочной жидкости к поверхности испарения, при этом скорость этого движения находится в зависимости от температуры воздуха и толщины пограничного слоя.

После испарения влаги раствора (И/с=60-ь70%), начинается удаление влаги, связанной с материалом тепловыми эффектами, изменяется характер кри-еых сушки и температурных кривых, температура материала резко приближается к температуре греющего воздуха. Это свидетельствует о наличии двух условных периодов сушки: удаление влаги из раствора (И/°> 60-^70%) при относительно подвижных макромолекулах гидролизатов и влаги, связанной с материалом тепловыми эффектами (IVе < 60-г70%), здесь макромолекулы теряют свою подвижность. Это хорошо согласуется с данными термодинамического анализа по изотермам сорбции, классификацией и состоянием влаги в продукте.

На кривых скорости сушки (рис.15) видно, что максимальная скорость сушки тонких (0,25мм) пенослоев значительно выше максимальной скорости сушки толстых (2,5мм) пенослоев. При небольших скоростях воздуха (1 м/с) как у тонких, так и у толстых пенослоев повышение температуры воздуха вызывает увеличение скорости сушки, при этом увеличение темпа роста скорости сушки при повышении температуры объясняется большим потоком пленочной жидкости за счет увеличения градиента расклинивающего давления в приповерхностном слое пенной структуры. Этот фактор движения пленочной жидкости по каналам Плато при наличии температурного градиента является определяющим при

выборе способа энергоподвода и объясняет причины быстрого разрушения пен при изменении температурного градиента.

Рис. 13. Кривые сушки тонкого (0,25 мм) пеноапоя (пунктирная кривая - сушка раствора в невспененном состоянии при У=10м/с, ^=110°С);1 Л/= 10м/с, и=1 Ю°С; 2 - 10м/с, и=65°С; 3 - У=1м/с, и=110°С; 4 - У=1м/с, Ц=65°С;тс-мин. Рис.14. Кривые сушки (1-4)и температурные кривые (1'-4') в толстом (2,5мм)

пенослое: 1-1'-Ом/с, ^=110°С;2-2' - У= 10м/с, и=65°С; У=1м/с, 1В=110°С; 4-4'-У=1м/с, ^=65°С;

Повышение скорости воздуха уменьшает толщину пограничного слоя и, при одинаковых температурных условиях, увеличивает интенсивность испарения влаги, что вызывает усиление притока жидкости к поверхности испарения из центральных слоев пены, температура которых ниже. Поток этой жидкости замедляет темп нагрева поверхности испарения, интенсивность испарения резко увеличивается до 1^=60+70% (кривые 3,7, рис.15). Повышение скорости и температуры воздуха увеличивает темп нагрева поверхностного слоя, поэтому обезвоживание до = 60-70% происходит почти при постоянной скорости сушки (кривые 5,8, рис.15).

Максимальные значения скорости сушки соответствуют, как для тонких, так и для толстых пенослоев, И/с=60+70%. При меньших IVе скорость сушки резко уменьшается из-за изменения вида связи влаги с материалом и эндотермического эффекта сушки, кроме того изменяется характер движения влаги внутри материала.

При И/с<60^-70% расстояние между макромолекулами материала уменьшается. Т.к. подвижность молекул воды больше, чем молекул материала, то

перемещающуюся в этом случае влагу можно рассматривать как течение пленок воды между макромолекулами материала. Как известно, движение пленок обусловлено градиентом расклинивающего давления или градиентом толщины пленки. Поскольку удаление пленочной влаги связано с наличием эндотермического эффекта, то повышение температуры материала увеличивает скорость сушки, процесс лимитируется условиями внешнего теплообмена, основную роль играет повышение температуры воздуха. На примере кривых 2,3 и 6,7(рис.15) видно, что в периоде падающей скорости сушки целесообразнее повышать температуру воздуха, чем его скорость.

Рис.15. Кривые скорости пеносушки (1-4 -слой

пены 2,5 мм, 5-8 -0,25 мм): 1Л/=1м/с, и=65°С; 2- У=1м/с, и=110°С; 3 - У= 10м/с, 1р=65°С; 4 - У=10м/с, и= 110°С; 5 - У=1м/с, и=65°С; 6 - У=1м/с, ^=1 Ю°С; 7 - 10м/с, и=65°С; 8 - 10м/с, [в= 110°С; пунктир - скорость сушки невспененного раствора при У= 10м/с, {„=110°С, dWc/dт.%/мин

По классификации A.B. Лыкова кривые скорости сушки во втором периоде соответствуют пятому типу. Это свидетельствует о том, что интенсивность пленочного влагопереноса уменьшается быстрее, чем интенсивность влагооб-мена, обусловленная ростом энергии связи. Точка перегиба соответствует, очевидно, изменению механизма внутреннего массопереноса, наиболее точно ее координаты определяются по температурным кривым (Wc«30%, рис.14). Это довольно хорошо согласуется с данными термодинамического анализа (равенство термоградиентного коэффициента нулю).

При дальнейшем уменьшении IVе (рис.15) толщина пленок жидкости уменьшается, этот процесс обусловлен значительной гибкостью макромолекул, и пленочное пространство превращается в микрокапилляры молекулярного порядка. Влагообмен в этом случае определяется эффузией молекул воды через микрокапилляры.

На рис.13 представлены кривые сушки вспененного (1) и невспенного пунктир) материала на основе которых построены кривые скорости сушки рис.15, пунктир). Высушивание вспененного и невспененного материала проводились в сравнимых условиях (V=10 м/с, t = 110°С) при одинаковой нагруз-е. По классификации A.B. Лыкова кривая скорости сушки невспененных гид-юлизатов относится к редко встречающемуся и мало изученному шестому ти-iy. При И^=30% на рис.15(пунктир) имеется точка перегиба, свидетельствую-дая, очевидно, об изменении механизма внутреннего влагопереноса. Зона искрения углубляется внутрь материала, этому этапу обезвоживания соответст-;ует эффузионный перенос пара внутри материала. Так как величина эффузивного потока будет определяться площадью отверстий микрокапилляров, то 1нтегральный эффузионный поток будет зависеть от числа микрокапилляров ia единицу поверхности испарения. При наличии объемного испарения в пен-юй структуре величина интегрального эффузионного потока будет больше, чем невспененного продукта, выше и скорость сушки (кривая 8, рис.15).

После удалении основной влаги из раствора пенная структура становится табильной, формируется относительно жесткий каркас, по которому влага пе-емещается в виде пленок жидкости, обволакивающих ориентированные, в ре-ультате адсорбции на поверхности раздела фаз молекулы продукта. С этого гамента целесообразно увеличивать температуру продукта, что усиливает леночный влагоперенос внутри материала. Т.к. при этом возрастает величина ■т , изменяется и путь движения этой влаги. Поток пара внутрь пузырька может ревышать поток пара через наружную пленку, в результате резко возрастает .авление пара в пузырьке, он увеличивается в размерах, при недостаточной рочности пленок происходит их разрыв.

На рис.16-а представлена типичная электронная микрофотография <1000) верхнего участка пены, на котором явно видны разрывы пленок. Края азрывов отогнуты, что свидетельствует о их образовании на стадии высокой ластичности пленок. Микрофотографированием пенослоев установлено, что в роцессе сушки пузырьки пены увеличиваются в размерах. Размеры пузырьков ерхнего слоя с увеличением толщины слоя увеличиваются незначительно, 'азмеры же пузырьков нижнего слоя резко зависят от толщины слоя пены, что

подтверждает заключение о механизме устойчивости пенной структуры в процессе сушки.

-- У. - --Т • - ■

¡Л-

т.'

Рис.16. Электронные

микрофотографии высохших слоев РГ а - х1000 6 - х 6000 в -х 1000

На рисунке 16-6 представлена электронная микрофотография участка высохшего на металлической подложке невспененного раствора (хбООО). Здесь отчетливо видны темные участки повышенной плотности вещества, мелкие участки имеют круглую форму, более крупные участки образованы из нескольких таких «элементарных» участков. По-видимому это и есть надмолекулярные образования, ассоциаты макромолекул, наличие которых в растворах высоких концентраций сказывалось на аномалиях вязкостных и пенообразующих свойств. Размеры ассоциатов находятся в пределах 1,5-3,0 мкм. Характерно, что в центрах ассоциатов имеются светлые точки, поры средним диаметром 0,1 мкм. Основная причина образования таких пор - повышенные значения расклинивающего давления, являющегося функцией межмолекулярного взаимодействия. Наличие таких пор в центре ассоциата подтверждает положение о том, что после удаления влаги раствора имеет место пленочный перенос влаги под действием градиента расклинивающего давления.

На рисунке 16-в представлены электронные микрофотографии сплошного толстого (0,3 мм) высохшего слоя РГ при увеличении хЮОО. Видно наличие довольно крупных пор, эквивалентный диаметр которых оценивается по данным 10 снимков около (3-4) Ю^см, а общее количество таких пор на 1 см2 составля-

т 6-104. Поры имеют неровные края, что представляет сделать предположение том, что основная причина их появления - нерелаксируемые напряжения нутри материала, за счет значительной усадки поверхностных слоев, происхо-,ящей в период приобретения материалом достаточной жесткости в процессе ушки. При сушке во вспененном состоянии поры в центре аасоциатов и поры з-за усадки слоев способствуют диффузионному переносу пара через каркас ены.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ВАКУУМНОЙ ПЕНОСУШКИ

В 5-ой главе серией предварительных поисковых исследований установ-ены основные факторы, влияющие на целевую функцию (45): исходная кон-,ентрация сухих веществ в продукте; толщина пенослоя или масса наносимого родукта на единицу площади; остаточное давление в вакуумной камере; плот-ость теплового потока; длина волны, соответствующая максимальной интен-ивности излучения, зависящая от вида излучателя и являющаяся функцией апряжения на лампах; начальная температура подаваемого продукта. Грани-,ы варьирования факторов выбраны исходя из технологических ограничений и озможностей технической реализации процесса. Исследования проводились в ;ва этапа: на первом этапе эксперименты велись по 4-х уровневому, 3-х фак-орному плану, построенному на основе греко-латинских квадратов при РОС7=30 !м рт.ст.; на втором этапе проводились однофакторные эксперименты, при Фиксации всех побочных параметров, с целью уточнения влияния отдельных закторов на эффективность обезвоживания и составления полной формализо-анной математической модели и отработки режимных параметров процесса. 1олучено

У = П = 34-10*Q4 + (161,598 Ш4С3 - 445,251-Ю2Е^ - 25,910* Q* --244,665-Ш8Т3)+(461,923-Ю5Т* - 255,556.10-2С2 + 342,358-lfr1Erf + +113,033-10-4Po¿ + 69,92'10? Q2) + (135,248 С - 231,651-Ш2 Т- 673,487-10~1 Еп - 239,49-102Росг - 7924,1 Q) -1636,2396 (44) де Q - масса нанесенного продукта, кг/м2; С - концентрация исходного раствора, % ; :п- тепловой поток, кВт/м2; Рост - остаточное давление в камере, Тор ; Т - температу->а исходного раствора, К.

Уравнение адекватно в пределах: С = 45+ 65%; 7=298+353 К; £„=1+5 кВт/м2 (при использовании ламп КИ-220-1000, и = 100В); 6= 10"3+2-10"3 м (0 = 0,09+0,2 кг/м2); Рост= 10+80 Тор.

Отмечено наличие двух максимумов целевой функции П при и = 180В и и = 100В, что обусловлено смещением длины волны излучения Ятах, максимума интенсивности в спектре ИК-генератора на длинах волн 1,16 и 1,6 мкм, соответствующим полосам поглощения влаги продуктом. При увеличении длины волны с Хтах =2,4 мкм (нихромовые спирали в кварцевых трубках) имеет место снижение П.

Наиболее рациональные режимные параметры обезвоживания имеют место при: £„= 2,5+3,0 кВт/м2; Стэх = 65%; Г = 298+303 К (отмечена нецелесообразность предварительного перегрева материала относительно давления в вакуумной камере из-за падения стабильности пенной структуры); Р0Ст< 60 Тор {Росш""1 = Ю+40 Тор); <3 * 0,093 +0,175 кг/м2(<5= 1 + 2 мм).

Вид полученных в экспериментах по сушке растворов рыбных гидролиза-тов кривых сушки и скорости сушки качественно сравним с аналогичными кривыми конвективной сушки. Кривые скорости сушки достаточно хорошо могут быть линеаризованы аппроксимацией в логарифмических координатах (рис. 17), на основании которой предложен 3-х зональный метод математического описания. Для трех зон обезвоживания имеем:

1 зона: Ы с1\У/с!т ) = (¡§ !\шах )[1.Х& Жнп^]

2 зона: 18( ¿ХУ/<1г) = (/? Шк,Ч/ХУ] (45)

3 зона: 1§( №/<1т ) = Х}([Н Каых +<1

где </ = Ы Ш/ёт Л, 0 при М7—1,0%; \Vk.i, = 30,8%; 1Ук1,2 = 14% - значения критических приведенных скоростей сушки в точках перегиба, определяемые в области режимов, обеспечивающих сушку без деструктивных изменений пенной структуры.

При обработке на ЭВМ получены аппроксимирующие значения коэффициентов сушки К, и максимальной скорости Ытах сушки от начальной влажности продукта и величины теплового потока.

: <лу/с/г, _

: %/с

10

1

0,8 0,6

0,4 0,3

• - С=65%;о - С=60%;х - С=55%

(Рост = 40 Тор; иач = 30°С; Еп =7,1кВт/м2,нихром, спира-

5 6 7 8 910

30 И/,%

Рис.17. Кривые скорости вакуумной радиационно-кондуктивной сушки в логарифмических координатах

К?=хз18 = 113,274 10-4 \Г„г - 0,892 18,0695 (46)

К2=Х2^ = -827,736-Ю'4 + 6г63809 \Уиач- 129,362 (47) а = 18( = 0,3(6)Еп> -218,453-102 Е^ +

430,102-Ю-2 Еп- 36,968-Ю-4 \Г„ЗЯ2 - 300,(4)Ю"3 1Ут. 9,1997 (48)

К)=Х11в ^тах= - 10,27-10-2 Шнач + 1,74ехр Еп -31,2975 (49)

=29,2-10 ЪЕЛ- - 11,83-10.з \Увачг +0,957 ^-18,02525 (50) Таким образом для 3-ей зоны

для 2-ой зоны

«^/«к = (W/WKп))K2

(52)

для 1-ой зоны

(53)

Решение этих дифференциальных уравнений при заданных начальных условиях и режимных параметрах процесса сушки позволяет получить функциональные зависимости продолжительности обезвоживания. При достижении влажности пенослоя, соответствующей 3-ей зоне продолжительность обезвоживания составляет

Аналогичные зависимости получены для 1-ой и 2-ой зон. При этом начальными условиями для последующей зоны является т=ЦЩ функция г \Л/нач,...) при \А/К0Н для предыдущей зоны.

Возрастание скорости сушки до Ытзх в первой зоне происходит за счет преимущественного испарения влаги с внешней поверхности пенослоя. В области точки перегиба заканчивается испарение связанной влаги с поверхности и происходит плавный переход пеноструктуры в квазикапиллярнопо-ристое тело. Здесь удаление влаги происходит за счет испарения ее с внутренней поверхности пузырьков пены, при этом увеличиваеится давление пара в пузырьках и, ввиду малых размеров капилляров, эффузия его через пленки. При высыхания пленок, их разрывах и растрескивании образуется сеть микрокапилляров, через которые осуществляется диффузия пара через слой. Движущей силой является градиент давления пара, который, определяет скорость как диффузии, так и эффузии пара через микро- и макрокапилляры, осложненной явлениями теплового скольжения и термодиффузии. Т.к. в оптически тонком слое глубина проникновения ИК-излучения превышает толщину слоя, то комбинация ИК и кондуктивного энергоподвода приводит к практически равномерному объемному энергоподводу, испарению влаги внутрь пузырьков во

X = (ХРкпг*1-1^ ,№<1-к5»/(1-К3)10'1 -

\^КП1[{1-(\^КП2/ \^КП1)(1К2>}/(1-К2) -

О^начЛ^киОО-^Уа-К!)]

(54)

всем объеме продукта и движению ее по диффузионному и эффузионному механизму.

При \Л/< \А/кп2 уменьшение скорости сушки определяется преимущественным влиянием роста энергии связи влаги с материалом, тепловыми эффектами связывания воды, что довольно хорошо стыкуется с трактовками термодинамического анализа связанной воды.

6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА И КОНСТРУКТИВНОМУ ОФОРМЛЕНИЮ ПЕНОСУШИЛОК

В главе 6 разработаны общие технологические принципы организации производства сухих продуктов пеносушки и конструирования сушильных установок.

Так как условия внутреннего влагопереноса на начальном участке определяют условия осуществимости способа сушки во вспененном состоянии (уравнение 32), то для компенсации гравитационной составляющей, выражаемой массовой скоростью истечения жидкости из пены[(ржЛУос/рж Уж)/йт]т1„ , %/мин, необходим адекватный поток, обеспечиваемый интенсивностью внешнего влагообмена [<1\У/с1г]т,1, полученной на основании кривых скорости сушки при различных способах организации процесса. Тогда условием осуществимости процесса пеносушки нестабильных пенных структур будет

[(рж А У0/рж У^)/Ат]<[(Л \Р/Ат)юзх] , (55)

здесь величина В^ должна быть определена по отношению к влажному материалу.

Если жидкий продукт не обладает достаточной стабильностью, стабильность пенной структуры можно увеличить за счет добавок ПАВ, либо гидрофильных коллоидов. Если продукт образует стабильную пену, получающуюся лишь после стекания определенного объема жидкости (некоторые натуральные соки без термообработки), то условие (55) остается в силе до получения относительно стабильной пены.

При конструировании сушильных установок в основу может быть положена схема технологического процесса сушки рис.19 с последовательно протекающими технологическими операциями:

1 - дозирование предварительно подготовленного жидкого продукта;

А о

Рис.18. Технологическая схема процесса сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии

Рис.19. Принципиальная схема дисковой вакуумной пеносушилки 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - привод; 4 - рабочие диски; 5 - конденсатор; 6 - патрубок к вакуум-насосу; 7 - лампы КИ-220-1000; 8 - скребок съема сухого продукта; 9 - пружины;10.11 - вакуумные затворы; 12 - приемные емкости; 13 - шнек; 14 - патрубки подачи жидкого продукта; 15 - щетки распылителя; 16 - блок привода распылителя; 17 - двигатель распылителя

2 - генерирование стабильной пенной структуры;

3 - нанесение вспененного продукта на рабочие поверхности пеносушилок;

4 - обезвоживание при различных способах энергоподвода;

5 - съем высохшего продукта с рабочей поверхности;

6 - вывод продукта из сушильной камеры;

7 - транспортировка, упаковка и хранение сухого продукта.

В конструкторских решениях независимо от способа энергоподвода процесс может реализоваться в основных блоках или узлах (рис.19). Конструирование I - III блоков должно отвечать ряду особенностей, связанных с результатами исследований, блоки IV и V могут конструироваться общеинженерными методами. Разработаны рекомендации по конструированию основных блоков и узлов пеносушилок: блока подачи жидкого продукта (дозирование, пеногенери-рование, нанесение вспененного продукта на рабочие поверхности), сушильных камер, блока режимных параметров камер.

Разработано конструкторское решение вакуумной пеносушилки (положительное решение о выдаче патента по заявке № 5049018 от 29.04.92), принципиальная схема которой представлена на рис. 20. Жидкий продукт подается через патрубки 14, имеющие отверстия в нижней части, и распыливается вращающимися щетками15 на рабочие диски 5. При распыливании щетками образуется мелкодисперсная пена, хорошо прилипающая к рабочей поверхности. При вращении дисков сохнущий продукт попадает в зону облучения ламп 7 КИ-220-1000 ( в установке предусмотрено два блока ламп, работающих при различном напряжении), сохнет и сбрасывается скребками 8 вниз. Скребки прижимаются к дискам посредством пружин 9. Через открытые вакуумные затворы 10 сухой продукт попадает в накопительные емкости 12, откуда сбрасывается по мере заполнения посредством переключения затворов 10 и 11 в разгрузочный шнек 13. Рабочие диски 4 соосно сидят на валу 2, вращающемуся через регулируемый привод 3. Парообразная влага конденсируется в конденсаторе 5 и сливается через патрубок 6 в вакуум-откачную систему.

Конструкция реализована в вакуумной пеносушилке Н29-ИЖЕ на Мурманском заводе белковых концентратов и двух установок изготовленных заводом «Каспреммаш» по заказу АО «Астраханьконсервпром» для полу-

юния томатного порошка и ПНИЛЭФМОПП МГУПБ для получения сухой 1Итательной смеси «Оволакт». Технические характеристики пеносушилки: Производительность по готовому продукту - от 10 до 20 кг/час

Данная установка демонстрировалась на международной выставке :Инрыбпром-95» в 1995 году (г. Санкт-Петербург).

Разработана конструкция устройства для нанесения жидких продуктов на оризонтальные рабочие поверхности пеносушилок (полож. решение по заявке № 96106718 от 15.04.96). Устройство обеспечивает получение и распределение 1ысокодисперсной пены на рабочих поверхностях пеносушилок как в виде ;плошного пенослоя, жгутов пены, так и виде вспененных агрегатов (капель) с >азвитой поверхностью, что способствует увеличению производительности пе-юсушилок по испаренной влаге.

В 7-ой главе рассмотрены комплексные технологические процессы сушки >ыбных гидролизатов во вспененном состоянии, разработка способов сушки онцентрированного томатного сока, комплексных процессов производства ¡ланшированных консервов на основе теоретических положений вакуумной ушки.

В процессе термообработки при концентрировании томатного сока теряют-:я поверхностно-активные свойства и для целей пеносушки требуется исполь-ование синтетических ПАВ. Разработан способ вакуумной пеносушки концен-рированного томатного сока с использованием в качестве пеностабилизаторов онцентрированных белковых добавок (рыбный гидролизат, мясные или рыб-1ые бульоны), повышающих его питательную ценность как полуфабрикатов для /1ясо-рыбо-консервной промышленности. Установлено, что введение добавок в «отношении 5-15% сухих веществ пеностабилизатора к массе сухих веществ

Влажность готового продукта Начальная влажность продукта Остаточное давление в вакуумной камере Номинальная мощность Габариты

5-7% 70-85% 0,02 МПа 8,7 кВт 1,5x1,5x1,5 м

7. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ ПРОЦЕССОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВАКУУМНОЙ СУШКИ

томатной пасты с доведением концентрации смеси до 30% с.в. позволяет осуществлять обезвоживание в вакуумных пеносушилках с удельной объемной нагрузкой вспененного продукта на рабочую поверхность (0,4 10"3-И,4 10~3)м3/м2 при остаточном давлении в вакуумной камере не более 7,9 кПа и инфракрасном энергоподводе плотностью 1-4 Вт/м2. Удельный съем сухого продукта при этом составляет около 22 кг/м2час. Проведены дегустационные испытания продукта, полученного по данному способу, разработаны ТУ и ТИ на его производство.

На базе проведенных исследований о структуре связанной воды в белковых композициях разработан способ интенсификации процесса бланширования рыбных консервов в масле и повышения их качественных показателей, основным из которых является содержание водного отстоя. Способ заключается в на греве консервов до температуры 132°С в периоде проварки в течении 8 минут и подсушке в вакууме при остаточном давлении около 100 мм рт. ст. в течении 10 минут. Этот режим более чем вдвое короче традиционного парового бланширования при максимуме отстоя 4,2%, против 10% по существующему стандарту.

Способ апробирован в морских условиях на РДОС «Баскунчакский», дегуста ционные испытания консервов получили одобрение как высококачественная продукция, удовлетворяющая действующему стандарту. Материалы по комплексному использованию рыбного сырья при производстве консервов в масле, включая разработанные автором конструкцию машины для разделки мелкой рыбы, оборудования и системы автоматизации для стерилизации консервов переданы АО «Астраханский рыбокомбинат» и АО «Густера» для внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные основы процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии при различных видах энергоподвода. Предложены решения актуальных задач обезвоживания бепоксодержащего рыбного, животного и растительного сырья с максимальной сохранностью пищевых и биологических характеристик методами сушки во вспененном состоянии, чт не может быть достигнуто традиционными методами обезвоживания.

Разработаны научно-методические основы исследований процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии.

Дана оценка влияния основных факторов на устойчивость пенной структуры жидких пищевых продуктов как объектов сушки во вспененном состоянии. Показано, что механизм устойчивости пенных структур определяется в основном поверхностно-активными свойствами составных частей гибких макромолекул и зависит от поверхностного натяжения, длины углеводородных цепей, молекулярной массы, рН, концентрации и вязкости водных композиций. Определяющим фактором для целей пеносушки является кинетика стекания жидкости из пены.

Доказано, что белковые композиции имеют значительные количества гидрофильных составляющих и обладают высокой гигроскопичностью с различными механизмами взаимодействия продукта с парами воды: при малых влаго-содержаниях имеет место электростатический механизм объемного заполнения активных сорбционных центров с образованием аминокислотных гид-ратных комплексов, на поверхности которых в дальнейшем протекают процессы по механизму полимолекулярной адсорбции, абсорбционные процессы с образованием аморфной структуры, в которой молекулы биополимера в силу их высокой гибкости занимают энергетически выгодные конформации, заканчивающиеся частичным или полным растворением продукта. Влага в подобных продуктах имеет высокую энергию связи, при этом значительное влияние оказывает энтропийная составляющая свободной энергии Гиббса. Термодинамический анализ механизма внутреннего массопереноса для РГ выявил значительную долю термоградиентной составляющей. При влагосо-держании более 0,3 -н 0,4 кг/кг термоградиентный поток влаги совпадает с градиентом температуры в материале и направлен противоположно потоку тепла, при меньшем влагосодержании поток влаги противоположен градиенту температур и направлен в сторону потока тепла, что дает теоретическое обоснование зональности процесса сушки. Термоградиентная составляющая внутреннего влагопереноса способствует, либо препятствует потоку жидкости, стекающей по каналам Плато под действием гравитационных сил, что создает предпосылки для обеспечения стабильности пенной структуры в

процессе сушки. Установлены рациональные типы и параметры работы ИК-излучателей для сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии.

• Установлено стабилизирующее влияние термоградиентной составляющей внутреннего влагопереноса на устойчивость пенной структуры в процессе конвективной пеносушки рыбных гидролизатов. Развитая внутренняя поверхность пены определяет объемное испарение влаги при пленочном и эффу-зионном влагопереносе в периоде падающей скорости и значительно интенсифицирует процесс в сравнении с сушкой невспенэнного продукта. При конвективной пеносушке удельный съем сухого продукта составляет к 2,6 кг/м2час.

• Установлено, что процесс вакуумной сушки жидких продуктов во вспененном состоянии в тонком слое при радиационно-кондуктивном энергоподводе обеспечивает значительную эффективность, удельный съем сухого материала с рабочей поверхности достигает 45 кг/м2час.

• Предложена феноменологическая модель обезвоживания жидких продуктов во вспененном состоянии. Сушка проходит в три стадии: в периоде возрастающей скорости сушки, когда испарение влаги происходит с внешней поверхности пенной структуры при перемещении влаги в пене по сети каналов Плато; объемное испарение влаги внутри пенной структуры и диффузия ее в окружающую среду при пленочном внутреннем влагопереносе; объемное испарение влаги внутри пенной структуры и диффузия ее в окружающую среду при диффузионно-эффузионком механизме внутреннего влагопереноса пара через пленки пенной структуры.

• Предложен трехзональный экспериментально-аналитический метод расчета процесса сушки, позволяющий при заданных граничных параметрах процесса решить дифференциальные уравнения кинетики влагоотдачи по каждой стадии и определить общую продолжительность процесса.

• Разработаны рекомендации по технологии процесса и конструктивному оформлению пеносушилок, даны примеры конструкторских решений устройств для нанесения вспененного продукта на рабочие поверхности пеносушилок, вакуумных пеносушилок, имеющих высокие технико-экономические показатели при обезвоживании достаточно «трудносохнущих» жидких продуктов с высокими качественными показателями готового продукта.

> Разработан способ вакуумной сушки рыбных гидролизатов, концентрированного томатного сока при стабилизации пенной структуры рыбными гидроли-затами и бульонами, позволяющий решить технико-экономические проблемы обеспечения предприятий рыбоконсервной промышленности томатным полуфабрикатом, особенно для удаленных и Северных районов.

> На основании теоретических положений процессов внутреннего влагопере-носа разработан способ интенсификации процесса бланширования рыбных консервов, сокращающий продолжительность обработки более, чем в два раза при повышении качества готового продукта.

Таким образом применение теоретических положений обезвоживания жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии при различных видах энергоподвода и вытекающих из них методов и закономерностей позволяет осуществить создание прогрессивных технологических процессов и высокоэффективных промышленных установок, дать технические решения по рационализации и интенсификации процессов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Лиофилизация биологических тканей после химической стерилизации // Ортопедия, травматология, протезирование / Демичев Н.П., Путилин A.A., Мацкеплешвили Т.Я. и Буйнов А.А.-1974, 10.-с.4-7.

2. Буйнов A.A. , Гинзбург A.C., Сыроедов В.И. Гигроскопические свойства рыбных белковых гидролизатов, высушенных во вспененном состоянии II Изв-я вузов СССР:Пищевая технология,- 1977,№3.-с.110-114.

3. Буйнов A.A. Термодинамический анализ механизма взаимодействия рыбных пищевых гидролизатов с водой // Новое в технологии сушки различных продуктов и материалов: Межвуз. сб, МТИПП, М.,1977.-с.86-88.

4. Исследование внутреннего массопереноса в культурах грибов / Никулина Е.Т.,Голгер Л.И..Сыроедов В.И, Буйнов A.A., Шадрина Н.Е., Ситникова Т.М. // Микробиологическая пром-сть. -1977.-10.-54-56.

5. Буйнов A.A., Гинзбург A.C., Сыроедов В.И. Влияние глубины ферментации на свойства пен рыбных пищевых гидролизатов // Изв-я вузов СССР:Пищевая технология.-1978.-№1 .-с. 132-135.

6. Буйнов A.A. Исследование процесса пеносушки рыбных пищевых гидролизатов: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.14 I МТИПП.-М., 1978.-28с.

7. Буйнов A.A., Черногорцев А.П. К вопросу о сушке рыбных белковых гидролизатов //Технологическиепроцессы и оборудование рыбообрабат. предприятий Западного бассейна: Труды,- вып. 76,- Калининграда 978.-с.3-8.

8. Буйнов A.A., Гинзбург A.C., Сыроедов В.И. Изучение гигроскопических свойств рыбных белковых гидролизатов, высушенных способом пеносушки

// Технологические процессы и оборудование рыбообрабатывающих, предприятий Западного бассейа: Труды.- вып. 76.- Калининград, 1978.-е. 14-17.

9. Волошко A.A., Буйнов A.A., Стефановский В.М. Система поддержания вакуума в паровакуумном дефростере // Оборудование для мясомолочной, рыбной, мельнично-элеваторной пром-ти: ЭИ.- 4 // ЦНИИТЭИЛегпищемаш,-М:1980.-с.9-12.

10. Буйнов A.A. Исследование процесса сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии: Труды / Астраханский технический ин-т рыбн. пром-сти и хоз-ва: юбил. вып.-1980.-с.273-276.

11. Буйнов A.A. Особенности кинетики конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов // Сушка и грануляция продуктов микробиологического и тонкого химического синтеза: тезисы, докл. респ. конф. ТИХМ, Тамбов.-1981,-с. 14-15.

12. Буйнов A.A. Особенности кинетики конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов // Сушка и грануляция продуктов микробиологического и тонкого химического синтеза: доклад респ. конф. ТИХМ,Тамбов.- 1981(депонир ЦНИИТЭИХИМ,- Черкассы).

13. A.c. 908310 СССР, МКИ3 А23 L 3/10. Автоклав для тепловой обработки продуктов / А.А.Буйнов, A.A. Волошко,- 2957020/28-13;Эаявлено17.06.80; Опубл.28.02.82, Бюл. №8.-2с.: ил.

14. Буйнов A.A. Кинетика конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов во вспененном состоянии: Труды КТИРПХ.- вып.98.- Калининграда 982.- с.З-8.

15. Буйнов A.A., Гинзбург A.C., Сыроедов В.И. Механизм конвективной сушки растворов рыбных гидролизатов во вспененном состоянии II ИФЖ, 1982, т.43,1,с.95-100.

16. Буйнов A.A., Кравцов Е.Е., Лебедева А.П., Алексанян И.Ю. Обезвоживание щелочных вод ректификации бензола во вспененном состоянии II Библ. указ. ВИНИТИ,- Деп.8.-1983.-с,113(справка 432хп-Д83 / ОНИИТЭХим,-Черкассы)

17. Установка для исследования термодинамических характеристик комбинированных пищевых продуктов I Рогов И.А., Буйнов A.A., Кабанец H.H., Кулагин В.Н., Фатьянов Е.В. // Рациональное использование белка в мясной и молочной пром-сти: Межвуз. сб.- М.,1983,- 139с.

18. Буйнов A.A. Влияние рН-среды на параметры пеноообразования растворов рыбных гидролизатов II Известия вузов СССР:Пищевая технология.-1983,№5,- с. 127-129.

19. Алексанян И.Ю., Буйнов A.A. Кинетика вакуумной сушки ферментированной белковой массы: Труды КТИРПХ, вып. 101.- Калининград, 1983,- с.3-7.

20. Рогов И.А., Буйнов A.A., Кабанец H.H. К вопросу о гигроскопических и термодинамических характеристиках сухих белковых гидролизатов из нетрадиционных видов рыб пониженной товарной ценности и других видов сырья морского происхождения // Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания: Тез докл 2-ой Вс.научн.техн. конф.,МТИММП.-

М. :1984.-е. 129

21. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю., Кабанец H.H. Термодинамические и массов-лагообменные характеристики рыбных гидролизатов // Электрофизические методы обработки пищевых продуктов: М-лы 5-ой Вс. научн. техн. конф. М.:1985.-с.261-262

12. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю., Кабанец H.H., Ефимов A.B. Влияние активности воды на реологические характеристики порошков рыбных гидролизатов // Электрофизические методы обработки пищевых продуктов: М-лы 5-ой Вс. научн. техн. конф. М.,1985.-с.274.

>3. Буйнов A.A., Бодров А.И. Высокотемпературная ступенчатая стерилизация консервов в автоклаве // Пищевая и перерабатывающая пром-сть.-1985.- 1.-1985.-C.53-55.

>4. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю., Рогов И.А. Перспективы создания сушилок для рыбных гидролизатов // Проблемы совершенствования технологии и оборудования для обработки объектов морского промысла: Тез. докл. от-расл. конф.- Калининград.-1986.-С.10.

15. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю., Кромский Е.Д. Пути совершенствования процесса получения сухих рыбных гидролизатов // Пути экономии ресурсов при технологической обработке рыбы и рыбопродуктов: Тез. докл. отрасл. конф., Калининград - 1987.-е. 13-14.

>6. Буйнов A.A., Бодров А.И. Разработка оптимизационных программ управления процессом стерилизации и исследование их в автоматических системах управления // Пневматические системы управления биологическими процессами: Тез. 3-го научно-техн. семинара МТИММП.-М., 1987.-е. 13-14.

¡7. Алексанян И.Ю., Буйнов A.A., Рогов И.А., Агеенко И.С. Обоснование выбора ИК-генераторов для сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии // Совершенствование оборудования для обработки объектов морского про-мысла:Сб. трудов.- КТИРПХ.- Калининград,- 1988.-С.21-31.

!8. A.c. 1400583 СССР, МКИ3 А22 С 25/14. Устройство для разделки мелкой рыбы / Буйнов A.A., Гаврилов М.А., Чилимский И.А. - 3976454/28-13; Заявлено 18.11.85; Опубл.07.06.88, Бюл. №21.-4с.: ил.

!9. A.c. 1634231 СССР, МКИ3 А22 J /04. Способ получения сухих рыбных гидролизатов / Буйнов A.A., Алексанян И.Ю., Рогов И.А., Петровский Б.М.-4427992/13; 3аявл.29.03.88;0публ. 15.03.91.-Бюл.№10.-4с.

Ю. Буйнов A.A., Артемьева H.H. Гигроскопические и термические характеристики рыбных белковых гидролизатов как объектов сушки // Процессы управления и аппараты пищевой технологии: Межвуз. сб. научн.трудов / Под ред. проф. В.Н. Лепилина - Л.: ЛТИХП, 1989.-е. 106-112с.

>1. Артемьева H.H., Буйнов A.A. Структурно-механические и реологические свойства порошков рыбных белковых гидролизатов // Проблемы индустриализации общественного питания страны: Тез. докл.2-ой Вс.научн. конф. Харьковский ин-тобщ. питания,-Харьков, 1989.-c.575.

,2. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю. Оценка эффективности вакуумной сушки рыбных гидролизатов во вспененном состоянии // Краткие результаты научной деятельности института: Сб.трудов АТИРПиХ,- Астрахань, 1990.-c.216-217

¡3. Буйнов A.A.. Разумовская Р.Г. Совершенствование технологии приготовления консервов в масле II Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания: Тез.докл. III Вс.научн.конф. Харьков, 1990.-c.134.

А. Буйнов A.A., Бодров А.И. Оптимизация стерилизации консервов в автокпа-вах.-Деп. ЦНИИТЭИРХ, 1985

.5. Патент 1805876 СССР, МКИ3 A23L 1/212. Способ получения сухих томатных продуктов / И.Ю. Алексанян, A.A. Буйнов, Е.Д. Кромский.-4896208/13; Заявлено 26.12.90;0публ.30.03.93, Бюл.№12.-8с.

36. Буйнов A.A., Разумовская Р.Г. Способ бланширования консервов.- Полож. решение о выдаче патента по заявке № 94-008094/13, 1994

37. Буйнов A.A., Разумовская Р.Г. Интенсификация процесса бланширования в технологии производства консервов в масле // Вестник АГТУ.- 1.-1994,-М.,1994,- с. 146-148.

38. Буйнов A.A., Алексанян И.Ю. Вакуумная пеносушилка.- Полож. решение о выдаче патента по заявке № 5049018 от 29.04.92

39. Буйнов A.A., Разумовская Р.Г. Совершенствование технологии приготовления консервов в масле на судах // ИНРЫБПРОМ-95:Тез. докл. междунар. выставки.

40. Буйнов A.A. Структура исследований процессов сушки пищевых продуктов во вспененном состоянии II Вестник АГТУ: Сб. научн. трудов,- Вып.2.- Астр, гос. техн. ун-т. -Астрахань: 1996.-е. 160-162

41. Буйнов A.A. Устройство для нанесения жидких продуктов на рабочие поверхности пеносушилок.-Полож. решение по заявке № 96106718 от 15.04.96

42. Буйнов A.A. Анализ методов расчета интенсивности пеносушки в связи с механизмом внутреннего массопереноса II Теоретические и практические аспекты основных положений расчета процессов и аппаратов пищевых производств: Тезисы докл., М.,МГУПБ.с.-87. М.,1996.-140с.

43. Буйнов A.A. Технология получения жидких пищевых продуктов в процессах их обезвоживания во вспененном состоянии: Тез. докл. 41 научной конф. АГТУ, Астрахань, 1997.

44. Буйнов A.A. Пенообразование и вязкостные характеристики растворов рыбных гидролизатов // Известия вузов: Пищевая технология.-1997.-№4-5.-с.32-

45. Буйнов А.А. Системный подход к исследованиям процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии II Известия вузов: Пищевая технология.-1997.-№2-3.-с.62-64.

34.