автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса сушки биомассы женьшеня

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ДКСШЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВСЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

БАШПЬНШОВА ИРИНА ПЕТРОВНА

УДК: 663/664.047:633.88 /043.3/ +663/664.002.5 /043.3/

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ БИОМАССЫ ЖЕНЬШЕНЯ

Специальность - 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена на кафедре "Процессы и аппараты пищевых производств" Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

РСФСР, лауреат премии Совета Министров СССР, доктор технических наук, профессор А.С.Гинзбург

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Э.Г.Тутова

кандидат технических наук В.А.Воскобойников

Ведущая организация: ШО "Биотехника"

Защита диссертации состоится "УХ " LuuS/jj _ 1990 года на заседании специализированного Совета К 063.51.07 Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Адрес института: 125080 Москва, Волоколамское шоссе, II.

Автореферат разослан "_"_ 1990 года.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук,

доцент И.М.Савина

Актуальность теш. В постановлении правительства "О дальнейшем развитии новых направлений биологии и биотехнологии" указано, что одной из актуальных задач является создание высокоэффективных препаратов растительного происхождения широкого спектра действия, используемых в медицинской промышленности, а также в качестве биологически активных добавок в пищевой и косметической промышленности.

Обогащенные биологически активными добавками продукты питания обладают стимулирующим эффектом и повышают устойчивость организма к различным заболеваниям. Такие продукты можно употреблять практически здоровым людям в качестве профилактического средства. В качестве сырья для получения биологически активных препаратов используются такие растения, как женьшень, родиола розовая и другие растения, способные синтезировать ценные биологические вещества.

В СССР разработана технология получения биологически активных препаратов из растительного сырья методом культур изолированных тканей и клеток растений, позволившая создать промышленное производство лекарственных препаратов широкого спектра действия.

Промышленная технология биологически активных препаратов включает следующие стадии: получение и выращивание биомассы растительных клеток и тканей - получение сухой биомассы - получение биологически активных препаратов.

Сушка биомассы - одна из основных стадий технологического процесса, так как она в большой степени влияет на качество готовых препаратов, энерго- и материалоемкость производства. В литературе практически отсутствуют сведения о рекомендуемых методах сушки, температурных режимах сушки биомассы женьшеня и какие-либо обоснования применяемых режимов сушки.

В связи с этим актуальное значение приобретает обоснование выбора метода сушки биологически активных препаратов растительного происховдения и, в частности, разработка научно обоснованных режимов процесса сушки биомассы женьшеня.

Цель и задачи работы. Целью работы является обоснование метода сушки и рациональных режимов обезвоживания биомассы растительных клеток и тканей (на примере биомассы женьшеня), позволяющих при минимальных затратах получить продукт высокого качества.

В соответствии с поставленной целью предусматривалось решить следующие задачи:

- определение характеристик 6и ;!.:ассы леньзеня как объекта сушки: термоустойчивость, гигроскопические, термодинамические и теплофизические характеристики:

- исследование поровой структуры высушенной биомассы женьшеня;

- обоснование выбора метода сушки биомассы женьшеня;

- определение условий предварительной подготовки продукта к сушке;

- разработка рациональных режимов сушки биомассы женьшеня:

- разработка практических рекомендаций для реализации рациональных режимов сушки биомассы женьшеня в промышленных условиях.

Научная новизна.

- Впервые исследованы свойства биомассы женьшеня как объекта сушки: термоустойчивость, гигроскопические, термодинамические и теплофизические характеристики;

- обоснован метод сублимационной сушки биомассы женьшеня с применением испарительного самозамораживания:

- исследованы характеристики фазовых превращений при замораживании биомассы женьшеня:

- сформулированы основные закономерности кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня.

- 3 -

Практическая значимость.

- Обоснованы параметры рационального режима замораживания и сублимационной сушки биомассы женьшеня:

- предложена методика расчета продолжительности процесса сублимационной сушки биомассы женьшеня;

- проведено внедрение предложенного способа сушки биомассы женьшеня на Волгоградском биохимическом заводе;

- экономический эффект от реализации предложенного способа сушки биомассы женьшеня на Волгоградском биохимическом заводе составляет 96,1 тыс. рублей на одну установку.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на юбилейной научно-практической конференции "Про-мишлена енергетика", НРБ, Правец, 1989 г.: Всесоюзной научно-технической конференции "Социально-экономические проблемы научно-технического прогресса в новых условиях хозяйствования", Кутаиси, 1989 г.; на Всесоюзной научно-практической конференции "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте", Одесса, 1989 г.; на Всесоюзной конференции "Химия пищевых веществ. Свойства и использование биополимеров в пищевых продуктах", Могилев, 1990 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, получено 2 положительных решения ВНШГПЭ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литгратуры и приложений. Работа изложена на ПО страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 16 таблиц. Список литературы включает 138 наименований. Приложения к диссертации представлены на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны анализ состояния проблемы сушки биологи-

чески активных препаратов растительного происхождения и обоснование актуальности выбранной теш.

Первая глава посвящена изучению способов получения биологически активных препаратов растительного происхождения методом культур изолированных тканей и клеток (на примере биомассы женьшеня) . Рассмотрено применение препаратов в качестве биологически активных добавок в продукты питания для повышения их биологической ценности.

Одной из основных стадий технологического процесса получения биологических препаратов, существенно влияющих на качество готового продукта, является сушка биомассы. Показано, что неправильная организация процесса, использование малоэффективных способов, несоблюдение технологических параметров может привести к значительной потере биологической ценности готового препарата. Определена методика выбора способа сушки биологических препаратов: исследование продукта как объекта сушки - исследование кинетики сушки в стационарных условиях - определение требований,предъявляемых к условиям эксплуатации - оценка тепловых и материальных балансов для заданной производительности - выбор эффективных методов сушки - сравнительные испытания на модельных установках.

Анализ литературных и практических данных показывает, что в настоящее время для сушки продуктов биологического производства используются различные способы и различные типы установок: распылительная сушка, сушка в псевдоожиженном и плотном слое, сублимационная сушка. Рассмотрены преимущества и недостатки различных способов сушки и влияние их на качество продукта.

Обзор литературы показал, что одним из наиболее перспективных способов сушки биологических материалов, позволяющих максимально сохранить биологическую ценность готового продукта, является сублимационная сушка в вакууме. Несмотря на преимущества

перед другими способами обезвоживания, сублимационная сушка имеет и ряд недостатков: сравнительно большая длительность и энергоемкость процесса, высокие капитальные затраты на оборудование и сложность обслуживания. Определены основнве тенденции повышения эффективности процесса сублимационной сушки биологических препаратов.

На основании анализа литературных данных сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты исследований свойств биомассы женьшеня как объекта сушки.

Биомасса женьшеня представляет собой многокомпонентную систему со сложным химическим составом с начальной влажностью до 97%, содержащую до 20% белка, биологически активные вещества, жиры и другие, так называемые запасные вещества.

При сушке биомассы женьшеня протекает ряд процессов, взаимосвязь которых определяет качество сухого продукта. Основным фактором, обусловливающим выбор и режим тепловой обработки, является содержание суммарной гликозидной фракции (СГФ, %), определяемой методом тонкослойной хроматографии и спектрофотометрии.

Подобный состав продукта обусловливает применение способов сушки при "мягких" режимах: вакуумной, сублимационной, а также атмосферной конвективной сушки в слое.

Исследования, проведенные с целью обоснования способа сушки биомассы женьшеня показали , что при сублимационной сушке содержание СГФ в 1,5 раза выше, чем при вакуумной и в 2 раза выше, чем при конвективной сушке. Кроме того продукт, полученный методом сублимационной сушки, обладает лучшей экстрактивной способностью при получении водно-спиртового настоя женьшеня, что позволяет рекомендовать сублимационный способ сушки биомассы женьшеня.

При реализации процесса и обосновании параметров режима

сушки необходимо учитывать специфические свойства биомассы женьшеня и, в частности, его термоустойчивость.

Исследование термоустойчивости биомассы женьшеня проведено методом статического нагрева анализируемого образца в запаянных капиллярах.

По полученным данным построена зависимость логарифма константы скорости тепловой инактивации и величины, обратной температуре. Точка перегиба прямой линии, соответствующая 85°С, характеризует максимально допустимую температуру нагревания биомассы женьшеня. Однако термоустойчивость материала определяется не только температурой, но и продолжительностью вьщержки при предельно допустимой температуре. Поэтому в связи со значительной продолжительностью процесса, характерной для сублимационной сушки, максимально допустимая температура нагревания продукта должна быть уменьшена. Как показали исследования, через 4 часа максимально допустимая температура нагревания материала в процессе сушки снижается до 60°С, и далее с увеличением продолжительности процесса она практически не меняется. Таким образом, для сублимационной сушки биомассы женьшеня максимально допустимую температуру нагревания продукта можно принять, разной 60°С.

Исследования гигроскопических характеристик биомассы женьшеня, высушенной с применением испарительного самозамораживания и предварительного замораживания были проведены статическим тен-зиметрическим методом. Обработка экспериментальных данных полученных изотерм сорбции позволила описать процесс сорбции при температуре 20°С следующими уравнениями:

- для биомассы женьшеня, высушенной с применением испарительного самозамораживания И^Б.кЗ-Щ'1^06 где 0.05&^д,Ъ

ир = 5,02-М~2+т-И)'3РлГ где 0,3 ± 11гЫ110~г*ЪЫ10~гМ где 0,8^ Г^0,9

- для биомассы женьшеня, высул*ннэй с применением предварительного замораживания

llp = 5,7-iO'2 f 0,292 где 0[OSá у ¿0,3

U/> =i62 í0~2+7,89 J0~3Pn Ч> где 0,3 ¿ У & DJ Uf=5l2H0~*+3,39-¿O~¿fai? где 0,it*Y*-0.9

По кривым сорбции определена энергия связи влаги с материалом. Установлено, что энергия связи влаги с материалом при одинаковой равновесной влажности у образцов биомассы женьшеня, высушенных с применением испарительного замораживания, на 15-20% меньше, чем у образцов, высушенных с применением предварительного замораживания.

Используя структурно-сорбционный метод анализа поровой структуры, рассчитана удельная поверхность пор и построены кривые дифференциального распределения объема и поверхности пор. Анализ полученных данных показал, что удельная поверхность пор биомассы

женьшеня, высушенной с применением испарительного замораживания,

о

составляет 107 м /кг, а максимум кривой дифференциального расо

пределения объема микропор приходится на поры радиусом 25 А. Для биомассы женьшеня, высушенной с применением предварительного замораживания удельная поверхность пор составляет 105 кг/м', а максимум кривой дифференциального распределения объема микропор сме-

о

щен на поры радиусом 18 А .

Таким образом установлено, что при сублимационной сушке биомассы женьшеня с применением метода испарительного самозамораживания в продукте формируется система крупных пор, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления сухого слоя и, соответственно, способствует интенсификации процесса массопереноса через сухой слой продукта.

Для определения теплофизических характеристик биомассы женьшеня был использован зондовый экспресс-метод, предложенный A.C.

Паниным и В.Д.Скверчаком. В ходе эксперимента были определены удельная теплоемкость С и коэффициент теплопроводности Л биомассы женьшеня в температурном диапазоне 20-80°С и концентрации сухих веществ 20-95%.

В результате обработки экспериментальных данных получены обобщенные эмпирические зависимости: удельная теплоемкость, Дж/кг К

1 = (I)

коэффициент теплопроводности, Вт/м К

1-т жЧ - г,2к10 "V+2,2В Ю'Ч У-Ц7Ю(2)

Третья глава посвящена исследованию процесса замораживания биомассы женьшеня. Для разработки режимов сублимационной сушки продуктов необходимо иметь данные о температуре и типах фазовых переходов воды, содержащейся в исследуемых продуктах, а также установить зависимости количества вымороженной воды от температуры. Для исследования фазозых превращений при замораживании биомассы женьшеня с исходной концентрацией 3,10 и 20% с.в. был использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

На рис. I представлена кривая ДСК и нагрева биомассы женьшеня с исходным содержанием сухих веществ 3%. Аналогичные кривые был! получены для образцов биомассы концентраций 10% и 20 с.в. Анализ кривых ДСК позволяет выявить наличие температурных зон, соответствующих определенным фазовым переходам. Площадь пика на дифференциальной кривой пропорциональна количеству теплоты, выделившейся или поглощенной при фазовом переходе, причем эта площадь тем больше, чем выше содержание воды в образце.

В таблице I приведены полученные значения криоскопической температуры и температуры начала плавления льда для биомассы женьшеня, полученные методом ДСК.

Таблица I.

Содержание сухих Криоскопическая Температура начала

веществ, % температура, Т плавления кристал-

т Ор лов льда, кр' .р о^

н.пл.,

3 -0,6 -20

10 -2,5 -22,6

.СО -5,2 -26

Полученные значения криоскопической температуры биомассы женьшеня , как функции содержания сухих веществ, аппроксимируются уравнением:

^,=-/24 (3)

Анализ полученных данных показьшает, что температура начала кристаллизации влаги в биомассе женьшеня находится в прямой зависимости от содержания сухих веществ ( С ) и понижается с повышением концентрации.

Количество вкмтртженн->П воды биомассы женьшеня с содержанием сухих веществ "г,г<\~глили по кривым зависимости Д £ = У) (рис. Г), рпг: л.' - !:; иг а':;гниг удельной энтальпии, кДж/кг. Аналогичным обг.азп;.' 'птрдолгны количество вымороженной влаги для образцов биомассы с исходным содержанием сухих веществ 10% и 20%.

Получено змпи^ ическое уравнение для определения температуры плавления свободной влаги ( ¿/?4 ) в биомассе женьшеня с разным содержанием сухих веществ:

20,99- (4)

Температура замораживания биокассы женьшеня определена как сумма температуры плавления Ьпл и температуры переохлаждения Ьпе.р :

1зом - I ПА *1лер (5)

Величина предельной температуры переохлаждения £пер определяется свойствами переохлаждаемого материала, так как в процессе замораживания промежуточные эвтектические смеси, содержащиеся в продукте, переохлаждаются, что задерживает дальнейшую кристаллизацию. Для продуктов биологической природы рекомендуется Ьер = -Ю°С.

Исследовано влияние условий замораживания на качественные показатели биомассы женьшеня. Установлено, что применение испарительного самозамораживания при прочих равных условиях (конечная температура, концентрация и т.д.) обусловливает повышение качества готового продукта, в связи с чем этот метод может быть рекомендован для промышленного использования.

Четвертая глава посвящена исследованию кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня.

Проведено аналитическое исследование кинетики сублимационной

сушки образца продукта, состоящего из трех зон: зоны сухого про-

х1

дукта, зоны сублимации и зоны замороженного продукта '.

Продолжительность процесса сублимационной сушки складывается из: продолжительности периода постоянного энергоподвода , продолжительности периода снижения энергоподвода ^ и продолжительности периода "досушки" <£ъ при следующих допущениях:

- в промежуточной зоне (зоне сублимации) доля вымороженной воды СО изменяется линейно по толщине слоя продукта от начального значения до нуля (начало координат находится в центре образца продукта);

' Камовников Б.П., Майков Л.С., Воскобойников В.А. Вакуум-

сублимационная сушка пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат,

1985. - 288 с. Латышев В.П., Агафонычев В.П. Метод расчета продолжительности сублимационной сушки творога //Холодильная техника. - 1979. - ^ 12. - С. 38-41.

- II -

температура зоны сублимации постоянна и соответствует температуре сублимации льда (для предотвращения плавления продукта);

- коэффициент теплопроводности Я/ за период постоянного энергоподвода Т^ равен коэффициенту теплопроводности объекта сушки с влажностью:

У/о (1-й) , ,

при

где I- начальная влажность продукта;

- коэффициент теплопроводности Лг за период снижения энергоподвода Тг и "досушки" Т3 равен коэффициенту теплопроводности объекта сушки с конечной влажностью при ^z ~ ^moy.

Переменный режим энергоподвода способствует энергетическому и технологическому совершенству процесса сублимационной сушки, при котором реализуется эффект воздействия начального импульса на влажный материал, который рассматривается как система "с памятью" .

Продолжительность отдельных периодов процесса сублимационной сушки определяется из уравнений баланса энергии для каждого периода с учетом принятых допущений.

Для периода постоянного энергоподвода продолжительность процесса определяется из выражения:

Г .РоУоЬЪЪЬьЛ-

К (7)

где ^ - начальная плотность продукта, кг/м^,

- удельная теплота сублимации льда, кДж/кг,

п

у - плотность начального теплового потока, Вт/м'~.

Для периода снижения энергоподвода:

Для периода досушки:

При расчете продолжительности сублимационной сушки биомассы женьшеня необходимо учесть влияние на кинетику процесса следующих параметров: исходного содержания сухих веществ биомассы женьшеня, толщины слоя продукта, температуры излучателей.

Для определения влияния указанных папаметрв и последующей проверки адекватности аналитического решения в пределах рекомендуемых параметров были проведены экспериментальные исследования кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня.

Экспериментальные исследования проведены в ШИЛ МТИПП на сублимационной установке периодического действия фирмы "5£<?Ае5" (США) при радиационном двухстороннем энергоподводе в тождественных внешних условиях: температура конденсатора-вымораживателя -40°С, давление в камере £0 Па. В опытах варьировались: метод замораживания, содержание сухих веществ биомассы женьшеня, температура излучателей. Установлено (рис. 3), что процесс сушки протекает интенсивнее в образцах, замороженных методом испарительного самозамораживания, так как в период охлаждения в вакууме образец теряет до 20% влаги и, кроме того, как выше показал структурно-сорбционный анализ, при испарительном самозамораживании в образце формируется система крупных пор, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления сухого слоя.

При исследовании кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня с исходным содержанием сухих веществ 3, 10 и 20% установлено, что продолжительность сушки биомассы с высокой концентрацией при одинаковом энергоподводе меньше, чем у биомассы

1изкой концентрации, однако скорость сушки биомассы меньшей кон-дентрации выше. Меньшая скорость сушки биомассы женьшеня с содер-канием сухих веществ 20% объясняется содержанием меньшего количества свободной влаги, а также большей плотностью и, следователь--ю, большим гидравлическим сопротивлением перемещению пара внутри продукта. Однако, несмотря на снижение скорости сушки, выход готового продукта с единицы рабочей поверхности установки в единицу времени будет тем больше, чем выше исходная концентрация Зиомассы, и поэтому процесс будет протекать более экономично. Гаким образом, при сублимационной сушке био^ссы женьшеня целесообразно производить сушку биомассы с большим содержанием су-шх веществ, то есть при предварительном концентрировании, но при этом следует учесть, что при концентрации выше 30% затрудня-этся съем сухой биомассы с противня и дальнейшая ее обработка.

Исследования, проведенные с целью определения зависимости кинетики сушки биомассы женьшеня от толщины слоя продукта (рис.4), показали, как и следовало ожидать, что с увеличением толщины слоя продукта (5 4- 20) .10 м продолжительность сушки увеличивается, так как скорость сушки при этом уменьшается. Продолжительность процесса сушки повышается в основном за счет увеличения длительности периода постоянной скорости сушки, которая зависит от количества подводимой теплоты и начальной влажности продукта. Продолжительность периода убывающей скорости сушки увеличивается в меньшей степени, так как длительность его определяется в основном свойствами материала и, в первую очередь, формой связи удаляемой влаги. Хотя с увеличением толщины слоя биомассы женьшеня продолжительность процесса сушки увеличивается, однако при этом повышается выход сухого продукта с единицы рабочей поверхности установки в единицу времени. Установлено, что при тол-

-3

щине слоя продукта выше 20.10 м нарушается равномерность

сушки: наблюдается пригорание верхней (открытой) поверхности ело] при "недосушке" нижних слоев продукта.

Экспериментальные исследования по определению зависимости температуры излучателей от исходного содержания сухих веществ биомассы женьшеня показали, что с увеличением концентрации биомассы максимально допустимая температура излучателей снижается. Это объясняется увеличением плотности образующегося сухого слоя и уменьшением его паропроницаемости, что приводит к повышению давления и температуры внутри продукта и может вызвать дефроста-цию материала.

Проверка адекватности аналитического расчета продолжительности сублимационной сушки объектов биологической природы была проведена путем сопоставления результатов расчета с результатами экспериментов по сушке биомассы женьшеня (таблица 2).

Таблица 2:

№ пп ! №> 1 % ? \ит ! м ! ! ! и °с ! Л ! о ! ! и ! ! °С !кВт/м*~ 1 1 1 1 : ¿0 | 1 % ! ! ! № { % ! ! экспер ч . | расчет:

I. 97 10 60 -20 0,5 99 3,0 10,0 11,56

2. 97 20 60 -20 0,5 99 3,0 15,3 17,88

3. 90 10 60 -22 0,5 97 3,5 9,5 11,25

4. 90 20 60 -22 0,5 97 3,5 14,4 16,74

5. 80 10 60 -22 0,5 94 4,0 4,6 5,85

б. 80 20 60 -28 0,5 94 4,0 7,3 8,60

7. 97 10 80 -20 0,75 99 3,0 8,4 10,08

8. 90 10 80 -22 0,75 97 3,5 9,0 10,80

9. 80 10 80 -26 0,75 94 4,0 4,2 5,00

Максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 20%, что можно объяснить некоторым отклонением входных параметров , р0 и Н в экспериментах от расчет-

ных данных, а также наличием допущений при построении аналитической модели. Кроме того, большое влияние на кинетику сублимационной сушки биомассы женьшеня оказало колебание управляющих параметров ^ , ^^ и в ходе эксперимента. Однако методику аналитического расчета можно с достаточной точностью применять в инженерных расчетах продолжительности процесса сублимационной сушки объектов биологической природы, так как аналитические данные несколько превышают их экспериментальные значения.

Пятая глава посвящена разработке рациональных технологических режимов сублимационной сушки биомассы женьшеня и практической реализации результатов исследования.

Изложенные в предыдущих главах результаты исследования показали, что процесс сушки определяется рядом факторов, и поэтому для изучения влияния всей совокупности факторов на кинетику сушки был применен метод математического планирования многофакторных экспериментов.

В качестве основных факторов, влияющих на процесс сублимационной сушки биомассы женьшеня, были приняты: температура излучателей Ь ,°С; толщина слоя продукта Н , м; исходное содержание сухих веществ С 1 %• Пределы варьирования этих факторов выбраны на основании предварительных исследований с учетом требований получения продукта высокого качества и технических характеристик сублимационных установок, используемых для сушки биопрепаратов. В качестве искомых функций были приняты продолжительность про -цесса сушки Т ,ч и удельная производительность установки

с

кг/м^ч. Планирование экспериментов осуществлялось на основе греко-латинского квадрата. Обработка экспериментальных данных позволила получить частные зависимости искомых функций от параметров режима сушки (рис. 5). Установлено, что наибольшее влияние на продолжительность процесса сушки биомассы женьшеня и

удельную производительность установки оказывает толщина слоя // продукта и температура излучателей ~Ь . В меньшей мере оказывает влияние исходное содержание сухих веществ С. в биомассе.

Эмпирические формулы для описания частных зависимостей продолжительности процесса сушки от параметров режима получены в результате расчета по методу наименьших квадратов:

Ту = 14,07-0,530+7,62. 10'3С2 (Ю)

Г2 = 1/(0,17-2,06+2-10~Ч2) (И)

Т} = 1,51+396,8 Н+12М Н2 (К)

1,665 Ел С-2,54 (13)

иг -1,6910~Ч г+1М10'Ч +1,57 (14)

-56,5И 4,909 (15)

Обработка многофакторных зависимостей позволила получить следующие обобщенные уравнения:

г = (о, я Ч.4Ь-1Р'гС+1£6-{Р~*СгХ2.71Ж*НЧМИ*УН0~5) ол-гм-ю'Ч+на'Ч2

(16)

и = (№ М -0,Ъ7)(2,к710'Ч^2,П10'Ч +0,25)*

* (126Н+0,22) (17)

В пределах: С = 10 - 40% с.в.; I = 40 *Ю0°С; Н = (5*20) Л0"?'

Параметры рационального режима сублимационной сушки определены по минимальному значению продолжительности процесса сушки и максимальной удельной производительности установки. Рекомендо-

ваны следующие параметры процесса: исходное содержание сухих веществ 30%, температура излучателей 70°С, толщина слоя ггоодукта 8.10"3м.

Однако при промышленной реализации способа сублимационной сушки биомассы женьшеня на увеличе ние продолжительности всего цикла сушки оказывает время выполнения вспомогательных операций:

Тц = 2с + ( 18 )

где 1.5-2 часа для установок периодического действия типа

КС-30 и Ь71 -45.27.1/"., применяемых для сушки биомассы женьшеня на Волгоградском биохимическом заводе.

Подставив значение Т^ в уравнения (16) и (17), получим значение толщины слоя, при которой удельная производительность установок будет максимальной. В нашем случае И = (10-11)-10~^м.

Проведенная на Волгоградском биохимическом заводе производственная апробация способа сублимационной сушки биомассы женьшеня показала, что применение сублимационной сушки с испарительным самозамораживанием продукта обеспечивает получение сухой биомассы, биологическая активность которой в 1,5 раза выше, чем при применяемой по технологическому регламенту атмосферной конвективной сушки, что позволит увеличить годовой объем препарата высокого качества.

Экономический эффект от внедрения способа сублимационной сушки биомассы женьшеня составляет 96,1 тыс.рублей в год на одну установку.

ВЫВОДЫ

I. На основании сравнительного анализа различных способов сушки биомассы женьшеня рекомендован способ сублимационной суш-

ки с испарительным самозамораживанием продукта. Показано, что при сублимационной сушке содержание биологически активных веществ (СР£) в 1,5-2 раза выше, чем при атмосферной конвективно! и вакуумной сушке, а также улучшается растворимость сухой биомассы, что увеличивает экстрактивную способность биомассы при получении водно-спиртового настоя женьшеня. Так, годовой объем настоя женьшеня при рекомендованном способе сушки биомассы женьшеня увеличился до 4000 л против 3000 л, получаемых в настоя' щее время по технологическому регламенту при одинаковом объеме производства сырой биомассы.

2. Исследовано влияние температуры и продолжительности на^ гревания на содержание биологически активных веществ в биомасс! Установлено, что температура нагревания биомассы женьшеня при сублимационной сушке не должна превышать 60°С.

3. Впервые проведено экспериментальное определение гигроскопических и термодинамических характеристик биомассы женьшен: Установлено, что метод замораживания оказывает влияние на формирование структуры продукта.

4. Методом адиабатического нагревания постоянным тепловым потоком получены значения теплофизических характеристик биомас^ сы женьшеня.

5. Впервые определены температуры фазовых переходов и кол] чество вымошженной влаги при замораживании биомассы женьшеня. Полученные данные позволили обосновать режимы замораживания биомассы женьшеня в зависимости от исходного содержания сухих веществ.

6. Исследовано влияние метода замораживания на содержание биологически активных веществ биомассы женьшеня. Установлено, что применение метода испарительного самозамораживания по срав'

нению с предварительным замораживанием обусловливает повышение качества готового продукта.

7. Проведено аналитическое исследование кинетики сублимационной сушки объектов биологической природы. Показано, что методика аналитического расчета может быть использована при расчете продолжительности сублимационной сушки биомассы женьшеня.

8. Установлены основные экспериментальные закономерности кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня при разных условиях ведения процесса. Показано влияние метода замораживания, исходного содержания сухих веществ и толщины слоя продукта на кинетику сублимационной сушки.

9. Разработаны параметры рационального режима сублимационной сушки биомассы женьшеня с испарительным самозамораживанием продукта: исходная концентрация сухих веществ 30%, температура излучателей 70°С, толщина слог продукта (10-П)-Ю^м.

10. Результаты работы внедрены на Волгоградском биохимическом заводе. Фактический экономический эффект от внедрения предложенного способа сушки биомассы женьшеня составляет 96,1 тыс. рублей в год на одной установке.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.С.Гинзбург, А.И.Чичельницкий, Г.В.Никабадзе, И.П.Ба-рыльникова. Способ сушки жидких пищевых экстрактов./Положительное решение ННИИГПЭ по заявке Г' 4447216/30-13 (097082) от 22.06.1988 г.

2. К.А.Калунянц, Е.В.Агапова, А.И.Чичельницкий, Г.П.Любар, И.П.Барыльникова. Способ сушки биологически активных материалов растительного происхождения./Положительное решение ВПИИГПЭ по заявке 4620784-24-06 (173731) от 19.12.1988 г.

3. И.П.Барыльникова, Г.В.Никабадзе. Влияние метода замораживания на биологическую активность биомассы женьшеня при сублимационной сушке // Социально-экономические проблемы научно-технического прогресса в новых условиях хозяйствования: Тез. докл. Всесоюзн. конф. 20-23 октября 1989 г. - Кутаиси. - 1989. -

4. А.С.Гинзбург, С.Л.Невенкин, А.А.Шульга, И.П.Барыльникова. Научные основы выбора метода и типа установки для сушки биоматериалов // Промишлена енергетика: Юбилейна научно-практи-ческа конференция. 19-21 октября 1989 г. - Правец, НРБ. - 1989. - С.154-159.

5. И.П.Барыльникова, А.И.Чичельницкий, М.В.Левинский, И.В.Смирнова. Исследование гигроскопических характеристик биологически активных материалов растительного происхождения

// Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте: Тез.докл. Всесоюзн.науч.-практич.конф. 24-26 октября 1989 г. - Одесса. - 1989. - C.I6.

6. И.П.Барыльникова, А.С.Гинзбург, А.И.Чичельницкий. Исследование кинетики сублимационной сушки биомассы женьшеня

// Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте: Тез.докл.Всесоюзн.науч.-практич.конф. 24-26 октября 1989 г. - Одесса. - 1989. - С.23.

С.188.

Научный консультант: к.т.н.,ст.науч.сотр. А.И.Чичельницкий

Ряс. I. Кргвые ДСК и нагрева замороженной биомассы жеиьпеня /исходное содержанке сухгх веществ

Рис.2. График для определения количества вымороженной влаги / С « /.

Кривые кинетики сушки и нагревания биомассы женьшеня при разных методах замораживания / С=3%; Н = Ю.10"3м/: '

1-е испарительным самозамораживанием

2-е предварительным замораживанием 3 - температура излучателей, °С.

V.*!

600

400

200

/ 5 /

\

ч ч

X ч ' 1 1 У 2 2 / 3 4 3 4 /

/

60

30

-30

О 2 4 6 8 10 £-.4

Рис. 4. Кривые кинетики сушки и нагревания йиомассы женьшеня в зависимости от толашнн слоя продукта / С = гаИ /: 1 - 5*10~3м; 2 - 10-10~3м; 3 - 15-10"3м; 4 - 20'10~эм; 5 - температура излучателей,°С.

го

Т.*

1 \

( с'

У 'Ч |

1 / 41 (

41 \

4 4з

О

и

10

20

30

40

60

80

40

100

С,*

0 5 10 15 20 Н'10 ,м

Рис.5. Зависимость продолжительности Т сушки биомассы женьшеня и удельной производительности 0,/п установки от параметров режима:

1 - исходное содержание сухих веществ; %;

2 - температура излучателей,°С;

3 - толщина слоя продукта, м

4

2

1