автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование способа вакуум-электростатического копчения экструдированных продуктов

На правах рукописи

005060498

ТКАЧЕВ Олег Александрович

«РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ВАКУУМ-ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО КОПЧЕНИЯ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ»

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

Воронеж - 2013

005060498

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГЪОУ ВПО «ВГУИТ»). Научный руководитель - заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты - академик Р АСХН, доктор технических

наук, профессор Поляков Виктор Антонович, (ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии» Российской академии сельскохозяйственных наук), директор

доктор технических наук, профессор Агафонов Геннадий Вячеславович (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»,зав. кафедрой технологии бродильных производств и виноделия

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Воронежский государ-

ственный аграрный университет им. императора Петра I

Защита диссертации состоится « 13 » июня 2013 г. в 11— часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Автореферат размещен на сайте http://vak.ed.gov.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУИТ.

Автореферат разослан «13» мая 2013

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01, доктор технических наук, профессор

Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы возрос интерес исследователей к экструдированным, т.е. с развитой структурой продуктам, полученным на базе сырья животного и растительного происхождения, в первую очередь, как к источнику высококачественных легкоусвояемых белков, а также как основе продуктов лечебно-профилактического питания различных технологических форм. При этом весьма актуальна задача разработки всё новых видов оригинальных продуктов с развитой структурой. Одним из перспективных направлений в этой области является расширение ассортимента продуктов с развитой структурой, путем изменения их вкуса и аромата натуральным дымным копчением, что обеспечивает увеличение сроков хранения.

Значительный вклад в развитие теории копчения и создание новых видов коптильных установок внесли И.А. Рогов, В.И. Курко, А.М. Ершов, Ю.А. Фатыхов, Г.И. Касьянов, В.А. Оноприйко, и др.

Одним из методов интенсификации дымного копчения является использование электростатического поля, которое позволяет существенно интенсифицировать осаждение компонентов дыма на поверхность продукта в процессе копчения. Время протекания процесса электростатического копчения по сравнению с традиционным копчением сокращается в несколько десятков раз.

Однако большая скорость электростатического копчения (при средней плотности дыма составляет 20-30 мин) связана лишь с ускоренным переносом коптильных частиц к поверхности продукта, а проникновение их внутрь продукта лимитируется развитой структурой продукта и запертым (заблокированным) в его порах воздухом.

Поэтому для решения задач, связанных с обеспечением высокой эффективности электростатического копчения, особенно для продуктов с развитой структурой необходима разработка процесса обеспечивающего проникновение коптильных частиц внутрь продукта с развитой поверхностью, путем устранения лимитирующих факторов на их пути.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежского государственного университета инженерных технологам в рамках госбюджетной научно - исследовательской работы (№ государственной регистрации 01970008818)

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является определение рациональных режимов процесса насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов и разработка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.

Для достижения цели решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии, техники и расчета процесса вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов;

- разработка методик и экспериментальной установки для исследования процессов насыщения ароматом дыма продуктов с развитой структурой и осуществление исследований, подтверждающих теоретические предпосылки повышения эффективности процесса копчения;

- определение изменения основных качественных параметров продуктов с развитой структурой в процессе вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле;

- осуществление оценки эффективности процесса копчения путем его термодинамического эксергетического анализа;

- синтез и анализ математических моделей получения дымо-воздушной смеси с индуктивным подводом энергии и вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов;

- численное решение математических моделей и сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

- разработка технических решений для реализации высокоэффективных процессов дымогенерации и вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле и создание системы автоматического управления данными процессами.

Научная новизна. На основе комплексного исследования процесса вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле получены данные об их взаимном влиянии.

Разработаны математические модели дымогенерации и вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле.

Установлены кинетические закономерности процесса насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов, позволяющие подтвердить адекватность теоретического описания.

Практическая значимость работы. На основании комплекса экспериментально-теоретических исследований показана целесообразность использования вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в сочетании с электростатическим воздействием.

Предложены методики расчета, позволяющие прогнозировать распределение температуры в процессе дымогенерации в зависимости от выбранных мощностей индукционного поля, обеспечивающих эффективный подвод энергии.

Разработаны: новая установка для осуществления процесса дымогенерации; способ и установка насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов и способ автоматического управления электростатическим копчением.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на конференциях Воронежской государственной технологической академии (2007 - 2012 г.), а также экспонировались на выставках: воронежская промышленная выставка 2010 г., VII Межрегиональный экономический форум Воронежская область - ваш партнер 2010, III Воронежский агропромышленный форум 2011, V Воронежский промышленный форум 2012, что подтверждено четырьмя дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, из которых три в журналах, рекомендованных ВАК, один патент РФ №. 2453122.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 170 наименований и приложений. Материал диссертации изложен на 164 страницах и содержит 55 рисунков, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и перспективность методов вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом

поле с использованием индуктивного подвода энергии при дымоге-нерации, а также сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе проанализировано современное состояние теории, техники и технологии копчения пищевых продуктов. Осуществлен выбор объектов исследования и дана их характеристика с точки зрения процессов копчения. Особое внимание уделено влиянию копчения на качественные показатели пищевых продуктов. Классифицированы способы и аппараты для проведения технологических процессов копчения. Изложены подходы при математическом моделировании и расчетах процессов вакуумного насыщения ароматом дыма продуктов с развитой структурой в электростатическом поле.

Во второй главе отражены результаты проведенных лабораторных исследований процесса вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле в экспериментальной установке (рис. 1), позволяющие определить изменения качественных показателей (рис. 2) и подтвердить модельные представления их осуществления.

Рис. 1 Экспериментальная установка 1 - рама; 2 - коптильная камера; 3 - дымогенератор; 4 — пульт управления; 5 — нагреватель; 6 -патрубок к эжекторному вакуум-насосу; 7 - патрубок для подачи дыма; 8 — датчик оптической плотности.

6

Для измерения концентрации коптильных веществ дымовоз-душной смеси в реальном масштабе времени в непрерывном потоке фотометрическим методом разработан датчик оптической плотности (рис. 2), с помощью которого осуществлены исследования динамического изменения оптической плотности дымовоздушной смеси при различной электрической мощности подаваемой на электронагреватель.

г\

к-з

м

3

21

Рис. 2 Датчик оптической плотности

9 12 15 Время цикла мин.

Рис. 3 Динамические изменения оптической плотности дьмовоздушной смеси при различной электрической мощности подаваемой на электронагреватель: 1 -1,25 кВт; 2 -1,0 кВт; 3-0,75 кВт; 4 -0,5 кВт

Изучение аромата образцов продукта, с развитой структурой полученного при атмосферном давлении и с использованием вакуума, их сравнительный анализ были проведены на анализаторе запахов «МАГ-8» с методологией «Электронный нос». В качестве измерительного массива были применены 8 сенсоров на основе пьезоквар-цевых резонаторов ОАВ-типа с базовой частотой колебаний 10,0 МГц с разнохарактерными пленочными сорбентами на электродах. «Визуальные отпечатки» максимумов, которые позволяют установить сходные компоненты состава смеси ароматических веществ в газовой фазе (похожесть запаха) с анализируемыми образцами, были построены по максимальным откликам сенсоров в равновесной газовой фазе (РГФ) образцов за время измерения (не более 2 мин). Был подобран массив сенсоров для установления тонких различий в составе равновесных газовых фаз проб и разработаны алгоритмы сопоставления сигналов сенсоров для установления степени похожести и различия запаха проб.

Для оценки степени похожести состава равновесных газовых фаз с образцами были проанализированы особенности геометрии «визуальных отпечатков» максимумов.

а) б)

Рис. 3 «Визуальные отпечатки» максимальных сигналов сенсоров в РГФ над тестируемыми пробами. По осям указаны номера сенсоров в матрице

8

Чистый экструдат

Обычное копчение

Средний слой копченого экструдата (вакуум)

Поверхность копченого зкструдата (вакуум)

В третьей главе разработаны математические модели дымо-генерации с использованием стержней и процесса вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в результате фильтрации через них дымовоздушной смеси.

В процессе моделирования дымогенерации на основе расчетной схемы (рис. 4) дымогенератора в нем после ряда преобразований сначала определена удельная площадь/н (рис. 5) поверхности стержней (насадок) по формуле:

с»

Г ...

/

Рис. 4 Расчетная схема дымогенератора 1 - загрузочный патрубок; 2 - барабан; 3 - древесные опилки; 4 - ферромагнитные стержни (насадки); 5 - индуктор; 6 - разгрузочный бункер; 7 - патрубок отвода влажной воздушной смеси; 8 - патрубок отвода дыма; 9 - патрубок удаления золы, 10 — компрессор; 11 - баромембранный аппарат; 12 - патрубок подвода воздушной смеси, обедненной кислородом Затем с целью оценки температуры дымовоздушной смеси на выходе из слоя рассмотрен его элемент <3х (1у (рис. 6) и получено уравнение теплового баланса:

Ь ду

Выполненные преобразования привели к тому, что уравнение (2) существенно упрощается:

ду

5>!0'

от а

005 002

" го ю 60 еп зо

а) б)

Рис. 5. Зависимость удельной поверхности/„ от диаметра стержней с\п (а) и диаметра частиц <г/„ (б) при £„=0,215, £„=0,4 А после разделения переменных и интегрирования при

начальном условии tr(0)=tr получено:

На выходе из слоя при у=к получено:

Также найдена высота слоя Ь*, для которой разность температур 1:"г — вм составляет 1 % от начальной разности Ц - вм:

с,.СтМ

-ль

(4)

(5)

Ь = 0.768-

г г м

При характерных значениях параметров сг = 1 ООО

(6)

Дж кгК'

Вт

а=0.001к5/, ём = 5 10 м, , Ь=2 м, 1=0.2 м,

' с м К

е„=0,215, ем=0,4 Ь* = 1.5-1(Г*Л1, что на несколько порядков меньше действительной средней высоты слоя.

Анализ полученного решения позволило сделать следующие выводы:

1. Тепловой поток от стержней к газу пренебрежимо мал, по сравнению с тепловым потоком от частиц к газу. Это объясняется большим отличием удельных поверхностей частиц материала и стержней посадки. Температура стержней практически не влияет на температуру газа.

2. Температура газа на выходе из слоя практически равна температуре материала (опилок) в данном сечении барабана, то есть теплообмен между газом и материалом полностью заканчивается внутри слоя.

Для рассмотрения теплообмена между газом, насадкой и материалом барабан был разделён условно на пять участков.

На участке 1 нагревания материала от начальной температуры до температуры кипения воды был выделен элемент слоя М-с!х и составлен уравнение теплового баланса для материала

стержни насадки

Си,'

| с4г

I 1 I

1 I I

<;, I.

Рис. 6 Схема для составления теплового баланса

(рис. 6):

смОыйвы = аИМ(0н(7)

С учетом сделанных оценок (1:г » вн )следует: йв.

ах

(8)

¡ю, 1 I

0— ¿в? ----

\; 1 А

Рис. 7 Схема теплопереноса в стержне насадки

Уравнение теплового баланса для элемента стержня с1х (рис. 7) имеет вид:

¿Q^í~dQv-dQi, (9)

ж/2

= Я, ■ —г ■ ^'

(12) (13)

В результате получили:

УНа =0; (15)

Граничные условия из условия пренебрежимо малого теплового потока на торцах стержня:

(1Й

При х = 0 —*- = 0, (16)

ах

(10

При х = Ь —*- = 0. (17)

ах

На участке 2 происходит обезвоживание материала при температуре, примерно равной температуре кипения воды {0м « О к ж 100 °С). В этом случае уравнение теплопроводности (15) преобразуется к виду:

+ * =0. (18)

с!х

Уравнение теплового баланса для элемента с(х высушиваемого материала будет иметь вид:

-Омг4а> = аки(ви -влк)-1-И/М<Ь, (19)

После деления на с1х уравнение (19) приобретает вид:

^ = -Аг{0и-вж) + Вг, (20)

ах

где л3 - ,в3-

С/ вгЬ

На участке 3 нагревания материала до температуры пиролиза основные закономерности процессов теплообмена на этом участке не отличаются от соответствующих закономерностей для участка 1 и описываются уравнениями (8) и (20).

На участке 4 при достижении температуры материала 9Ч ~ 21Q °С начинается активный пиролиз опилок, сопровождаемый существенным тепловыделением. Теплота пиролиза опилок составляет 1 + 1,2 МДж/кг.

Температура опилок и стержней на этом участке существенно увеличивается вследствие пиролиза, а масса опилок -уменьшается. Температура материала здесь превышает температуру насадки, теплота от материала передается стержням насадки, по которым она транспортируется на другие участки.

Уравнение теплового баланса здесь отличается от аналогичного уравнения (7) наличием дополнительного слагаемого, учитывающего теплоту пиролиза опилок:

cßjOM=a^-ejlhfHdx-C-&-(eH-tr')dx + ^^dx = 0,(21)

L Ьп

После преобразования получили:

cMGM cMGML

I 0 ~ m j' ЧпР»еЛ ~ О •nDl' <P(a) (22)

*GMcMTn

На участке 5 прокаливания твердого остатка газовыделение материала несущественно, поэтому расход твердого материала здесь можно считать постоянным. Уравнение теплового баланса на этом участке будет иметь вид:

^ = -OJ—Zß—V. -/,') (23)

dx С,Рмтм CßMmuL

Математическая модель процессов теплообмена дымоге-ненартора реализована в среде Mathcad-15.

На рис. 8, 9 представлены результаты моделирования теплового режима дымогенераторов при следующих значениях па-раметоров: ^=50 мкм; dH = 3 мм; £, = 0,215; <Г„=0,4; /э„= 900 кг/мЗ; £> = 200 мм; «=135°; ¿ = 2 м; Ам=390 Вт/м-К (медь); С,= 1000 Дж/кг«К; Ж=0,25; GM= 1 г/с; а„„=5 Вт/м2*К; 2,юг= 2000 Вт; г = 2200 кДж/кг; q„= 1 МДж/кг; гл= 300 с.

о

а5

15

05

10

15

Рис. 8. Распределение температуры материала и стержней насадки по длине барабана при 0,щ.=2000 Вт и Ь=2 м

Рис. 9. Распределение температуры материала и стержней насадки по длине барабана при 2,^=900 Вт и £=1.5 м

Анализ тепловых режимов дымогенератора в случае, когда вместо стержней насадки используются тепловые трубы, показал, что при их применении с с1н=3 мм (рис. 10), позволяет уменьшить мощность индукционного нагрева до 500 Вт с одновременным уменьшением его длинны до 1 м. Увеличение диаметра тепловых труб приводит к увеличению необходимой длинны дымогенератора Ь (рис.11). Необходимая мощность индукци-

онного нагревателя при этом не изменяется.

Рис. 10. Распределение температуры „ ,. т,

' „ г ■> г Рис. 11. Распределение температуры

материала и стержней го тепловых _

г _ „ материала и стержней из тепловых

труб по длине барабана при ¡- , ,

А Г. Г 1 О труб по длине барабана при

й_=500Вт,£=1 м,4,=3 мм аи=500 Вт,Ь=Ъ м,¿„=20 мм

При этом следует отметить, что при использовании тепловых труб заключается в максимально возможной степени утилизации теплоты пиролиза материала, поскольку тепловые трубы обладают весьма незначительным термическим сопротивлением.

Преимущества связанные с получением высококачественного дыма высокой плотности сводятся на нет если не решены

задачи его эффективного использования при насыщении продукта, особенно с развитой структурой. Однако в связи с тем, что для обеспечения проникновения дыма во внутрь продукта последний перед копчением вакуумируется для удаления из пор запертого в них воздуха, поэтому процесс насыщения продукта ароматом дыма при его моделировании рассматривается как процесс фильтрации дыма через развитую структуру продукта (рис. 13).

Поскольку количество частиц дыма, поглощенных продуктом с развитой структурой сотносительно невелико, то изменением сопротивления фильтрации, из-за забивания пор продукта частицами дыма, можно пренебречь.

Уравнение фильтрации дыма в по-

Рис.12 Дымопоглощение продуктом: 1 - продукт с развитой структурой; 2 — частица дыма

ристом продукте имеет вид: цг0 с№'

(24)

Уравнение сплошности для дымового газа в пористом продукте: др

(1 — а) — = —сИр(ри). В сферических координатах:

(25)

(26)

Для изотермического процесса фильтрации, текущую плотность р можно выразить через давление:

Р = Рв V (27)

"в

После подстановки выражений (24) и (27) в уравнение (26) получим:

(1 (28) Краевые условия для уравнения (28):

Р(0.Я) = Рв (29)

Р(т,Ян)=Р0 (30)

= 0 (31)

ЭР I

эк1й=0

Приведем уравнение (28) и краевые условия (29) - (31) к безразмерному виду:

Р(0, Й) = Рв, (33)

Р(т, 1) = 1, (34)

<35>

где к = Я/Я„; Р = Р/Р„; г = т/т,„; гт = ""''"""'''.

*ч>

Ввиду нелинейного характера, дифференциальное уравнение (32) было решено численно методом сеток с получением графиков (рис. 13).

При моделировании распределения компонентов дыма в частице продукта выделили поверхность радиуса Я (рис. 12) через которую проходит общий объем дымового газа:

(36)

и определили общее количество частиц дыма, вносимое в частицу продукта:

тч = УДя ■ р40, (37)

Изменение концентрации частиц дыма от при прохождении им элемента частицы продукта толщиной ¿Я определяли соотношением:

рч яа(1-а) 4 '

При этом реальное распределение частиц дыма в частице продукта зависит от коэффициента захвата:

171 = 171(1 +4,5а), (39)

гдесуммарный коэффициент захвата частиц дыма отдельным волокном частицы продукта, определяемый выражением:

г,1 = 1-(1- чВ)(1 - - чВ+Д)(1 - Ч«к)> (40)

В результате численного эксперимента (рис. 14) установлено, что уменьшение коэффициента захвата приводит к более равномерному распределению частиц дыма по радиусу частиц продукта.

as

Л_а9

ю а в

РЗ

П 0.7 К

0.6

06

pzm ал 0.2

о

ОЛ 0.6 es

4\Ю' 5хЮ

Rb

V .1\Ю

Л7

Рис. 14. Распределение суммарной концентрации твердых частиц дыма по радиусу частицы продукта, при щ =0.12

Рис. 13. Распределение давления дымового газа по диаметру частицы продукта. 1 -т=0,1; 2 - <=0,2;3 - т =0,3;

4 - т=0,4; 5 - т=0,5

В четвертой главе приведен эксергетический анализ процессов, посредством которого осуществлена оценка термодинамической эффективности процессов, обеспечивающих насыщение экс-трудированных продуктов в электростатическом поле.

Графическая интерпретация эксергетического баланса представлена в виде диаграммы (рис. 15), которая показывает потери эксергии в процессах, обеспечивающих насыщение экструдиро-ванных продуктов ароматом дыма в электростатическом поле.

Г.,,, Ч1МЩ

Рис. 15 .Д иаграмма эксергетического баланса установки для вакуумвд-элекгростатического копчения: I - процесс предварительного подогрева воздуха; II - процесс разделения воздушной смеси; III - процесс сушки опилок в электромагнитном поле; IV - нагрев подсушеных опилок до температуры пиролиза; V - процесс пиролиза древесины в условиях ограниченного доступа кислорода; VI - охлаждение дымовых газов; VII - процесс фильтрования продуктов горения; VIII - испарение влаги и процесс насыщения продукта ароматом дыма.

В пятой главе дано описание установки для осуществления процесса дымогенерации, а также установок реализующих способы вакуумного насыщения дымом подводимого к продукту, как с внешней стороны продукта (рис. 16), так и из его внутренней полости (оис. 1?) в электростатическом поле.

Рис. ИУстановка для получения копченых продуктов с развитой структурой с подачей дыма из внутренней полости продукта: 1 - коптильная камера, 2 - дымогенерагор, 3 - фильтр, 4 -мембранный аппарат, 5 - нагреватель воздуха, 6 - конденсатор, 7,8 - во до колы [евые насосы, 9 - эжектор, 10 - пассивное сопло эжектора 9,11 - камера смешивания эжектора 9,12 - рециркулирукяций трубопровод, 13—коэюлру-дер, 14 - центральный канал коэкструдера, 15 - нагнегаю-щийшнек, 16-вставка,17 - патрубок подачи дымовоз-душной смеси в коптильную камеру, 18 - камера зарядки частиц коптильного дыма, 19 - коронирующие элеироды,

20,21—входной и выходной патрубки камеры 18,22 -нагнетающее сопло эжектора 9,23 - насадка в форме сопла Лаваля

Предлагаемый способ автоматического управления процессом вакуумно-электростатического копчения обеспечивает повышение производительности оборудования благодаря обеспечению согласованной работы дымогенератора и аппарата для копчения с использованием регулирования интенсифицирующих факторов - вакуума и электростатического поля, а также позволяет получить готовый продукт стабильно высокого качества благодаря контролю за процессом насыщения ароматом дыма по всему объему экструдированного продукта.

Рис. 16 Установка для вакуумного копчения в электростатическом поле с подачей дыма с внешней

стороны продукта: 1 - экструдер, 2 загрузочное устройство, 3 - нагнетающий шнек, 4 - продукт, 5 - насадка в форме сопла Лаваля, 6 - коронирующие электроды, 7,8 — патрубки, соответственно, дня удаления влаги и подачи дыма, 9 - разгрузочное шлюзовое устройство.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1.Разработанные методика и лабораторная установка для исследования процессов вакуумного насыщения ароматом дыма экс-трудированных продуктов в электростатическом поле позволили осуществить эксперименты, подтверждающие теоретические предпосылки повышения эффективности процесса копчения;

2. Выявленные с применением системы искусственного интеллекта и методологией «Электронный нос» изменения основных качественных параметров экструдированных продуктов в процессе вакуумного насыщения их ароматом дыма в электростатическом поле доказали высокую эффективность разработанного способа.

3. Синтезированные математические модели получения ды-мовоздушной смеси с индуктивным подводом энергии и вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов доказали их высокую адекватность на основе анализа результатов численного решения математических моделей и сравнения полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

4. Осуществленная термодинамическая оценка эффективности процессов, обеспечивающих насыщение ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле в ввде его эксер-гетического анализа выявила высокие технико-экономические показатели разработанного способа

5. Предложенные технические решения позволяют реализовать высокоэффективные процессы дымогенерации и вакуумного насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов в электростатическом поле и обеспечить высокую точность автоматического управления данными процессами.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Б - площадь сегмента сечения барабана, заполненная стержнями и материалом (опилками); а - центральный угол, град; Ем - порозность слоя отток;/т с1и-удельная поверхность и диаметр стержней; пм - число частиц материала в 1 м2 слоя; рм — плотность материала (опилок); сг—теплоемкость газовоздушной смеси; - массовый расход азотовоздушной смеси; Ь—длина барабана; - температура азотовоздушной смеси; / — средняя дгшна образующей слоя насадки; аш - коэффициент теплоотдачи от материала к газу, анг - коэффициент теплоотдачи от насадки (стержней) к газу, вс - температура стержня; с„ — теплоемкость материала; с,.-теплоемкость газа (азотовоздушной смеси); — расход матери-

ала; G>—расход газа; 0„ - температура насадки; 0„ - температура материала;

, , , D ?„ sin a t*80\

- коэффициент теплоотдачи от насадки к материалу; n = — 11------—J —

средняя высота слоя в барабане; Qx—тепловой поток в стержне насадки за счегг теплопроводности; Q¡ — тепловой поток с боковой поверхности стержня к дисперсному материалу, Qv—тепловыделения в стержне за счет электромагнитного воздействия; qv - интенсивность внутренних тепловых источников, обусловленных воздействием переменного электромагнитного поля на стержни насадки; Quoi- суммарный поток тепловыделений стержней; где г- теплота парообразования воды; О) - абсолютная влажность воды; GM- средний расход материала на участке пиролиза; AGM— изменение массы материала вследствие выделения газов при пиролизе; qn— теплота пиролиза; L„— длина участка пиролиза материала; mu— массовая доля твердого остатка в процессе пиролиза материала; t„— время пиролиза; VM— средняя скорость движения материала вдоль барабана; V -скорость фильтрации дыма, м/с; ц—кинематическая вязкость, Па с; г0— удельное сопротивление пористой частицы, 1/м2; Р— давление, Па; R— текущий радиус пористой частицы, м; р — плотность дымового газа, кг/м3; а = Ц-/К, — плотность упаковки; Ц. - объем, запираемый твердой фазой частицы продукта, м3; К, - общий объем частицы продукта (с учетом пор), м3 ; рв — плотность дымового газа при давлении Рв; т,„ - характеристический масштаб для времени Pío — массовая объемная концентрация частиц дыма в дымовом газе; VRff -объем газа, поглощенного частицей; где рч — текущая массовая объемная концентрация частиц дыма; —суммарный коэффициент захвата частиц дыма; а

— характерный размер волокон частицы продукта; 77® - суммарный коэффициент захвата частиц дыма отдельным волокном частицы продукта; где r¡z,T]{[, rçB+R» Vs& ~ коэффициенты захвата за счет диффузии, касания, совместного влияния механизмов диффузии и касания, инерционного осаждения частиц дыма.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Живаев P.C., Ткачев O.A., Барыкин P.A., Шахов C.B. Расчет эксергетического КПД подсушивания опилок для осуществления процесса дымогенерации // Успехи современного естествознания. —2012. — № 6 — С. 141-141

2. Антипов С.Т., Кишев С.Ю., Ткачев O.A., Макеев C.B. Датчик оптической плотности для исследования дымовоздушной смеси в процессе копчения // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. — Том 7 № 8—С. 53-55

3. Китаев С.Ю., Макеев C.B., Ткачев O.A., Рязанов А.Н. Исследование динамики процесса дымогенерации в универсальной коптильной установке // Вестник Воронежской государственной технологиче-

ской академии. Научно-теоретический журнал - 2011. - № 1. - С. 82-84

4. Ткачев O.A. Установка для дымогенерации // Вестник Воронежского государственногогосударственного университета инженерных технологий. Научно-теоретический журнал - 2012. - № 2. - С. 33-36

5. Макеев C.B., Ткачев O.A. Моделирование процесса дымогенерации // Материалы L отчетной научной конференции за 2011 год: в 3 ч,- Воронеж, гос. технол. акад., Воронеж, 2012,- Ч. 2.- С. 40-41

6. Антипов С.Т., Ткачев O.A., Шахов С.В.Определение температуры газовоздушной смеси на выходе из слоя в барабанном дымо-генераторе со стержневой насадкой [Текст] // Известия КГТУ. Научный журнал - 2012. - № 27. - С. 35-41

7. Патент 2453122 (Российская Федерация), МКИ А23В 4/056, А23В 5/05 Установка для дымогенерации в среде инертного газа с индуктивным подводом энергии / С.Т. Антипов, C.B. Шахов, О.В. Мальцева, C.B. Макеев, O.A. Ткачев, А.Г. Картавый - Заявл. 25.01.2011, № 2011102713/13, опубл. 20.06.2012 в Б.И. № 17

Подписано в печать 07.05.2013. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ#)7. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

(ВГУИТ)

Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

04201360464

ТКАЧЕВ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ВАКУУМ-ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО КОПЧЕНИЯ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов С.Т.

Воронеж-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 5

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ НАСЫЩЕНИЯ. АРОМАТОМ ДЫМА ЭКСТРУДИ-РОВАННЫХ ПРОДУКТОВ.......................................................... 6

1.1. Продукты с развитой структурой как объекты исследований процесса копчения............................................................................. 6

1.1.1 Химический, фракционный состав, физико-химические и функционально-технологические свойства экструдатов.......................... 10

1.1.2 Комплексная оценка экструдированных белковых мясо-растительных продуктов................................................................. 17

1.1.3 Оценка пищевой и биологической ценности комбинированных экструдированных мясо-растительных белковых продуктов.................... 20

1.2. Анализ существующих способов насыщения продуктов ароматом дыма и оборудования для его осуществления......................................... 26

1.3. Теоретическое описание процессов, обеспечивающих насыщение продуктов с развитой структурой.................................................... 39

1.3.1 Влияние развитой структуры продуктов на эффективность осаждения частиц в продукте......................................................... 39

1.3.2 Влияние основных параметров на процесс осаждения частиц .. 49

1.3.3 Осаждение частиц в условиях электростатического поля........ 53

1.4. Цель и задачи исследования.................................................... 55

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ АРОМАТОМ ДЫМА ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ.................................................................................... 57

2.1 Лабораторная установка для насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов....................................................................... 57

2.2 Исследование характеристик дыма............................................ 59

2.2.1 Разработка датчика оптической плотности........................... 59

2.3 Определение влияния различных параметров на процесс насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов....................................... 65

2.4. Исследование эффективности насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов....................................................................... 69

2.4.1 Методика проведения исследований................................... 69

2.4.2 Расшифровка результатов измерений................................. 71

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ АРОМАТОМ ДЫМА ЭКСТРУДИРОВАНННЫХ ПРОДУКТОВ.......... 74

3.1 Постановка задачи................................................................. 74

3.2. Моделирование процесса дымогенерации.................................. 76

3.2.1 Характеристика процесса дымогенерации................................. 76

3.2.2 Оценка максимальной скорости движения азотовоздушной смеси... 80

3.2.3 Оценка температуры азотовоздушной смеси на выходе из слоя.... 82

3.2.4 Теплообмен между газом, насадкой и материалом в барабане... 84

3.2.5. Уравнение теплопроводности стержня насадки.................... 86

3.2.6 Программа теплового расчета дымогенератора...................... 90

3.2.7 Анализ результатов математического моделирования процессов барабанного дымогенератора....................................................... 92

3.2.8. Тепловые режимы дымогенератора с тепловыми трубами...... 95

3.2.9. Тепловые режимы дымогенератора с металлическими стержнями.................................................................................................. 97

3.3. Моделирование процесса копчения......................................... 106

3.3.1. Дымопоглощение сферической частицей продукта............... 106

3.3.2 Численное моделирование процесса дымопоглощения сферической частицей продукта................................................................ 108

3.3.3 Распределение частиц дыма в частице продукта.................... 110

Глава 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ АРОМАТОМ ДЫМА ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ............................................................... 118

4.1. Энергетический анализ процесса насыщения ароматом дыма экс-

трудированных продуктов.............................................................. 119

4.2. Эксергетический анализ процесса насыщения ароматом дыма экс-трудированных продуктов.............................................................. 127

4.3. Графическая интерпретация эксергетического баланса процесса

насыщения ароматом дыма экструдированных продуктов........................... 138

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................... 139

5.1 Установка для дымогенерации................................................ 139

5.2. Установка для получения копченых продуктов с развитой структурой и внешней подачей дыма..................................................................... 142

5.3. Установка для получения копченых продуктов с развитой структурой

и внутренней подачей дыма............................................................... 144

5.4. Система автоматического управления процессом получения копченых продуктов с развитой структурой и внутренней подачей дыма............ 147

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ........................ 155

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. 155

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 165

Введение

В последние годы возрос интерес исследователей к экструдированным, т.е. с развитой структурой продуктам, полученным на базе сырья животного и растительного происхождения, в первую очередь, как к источнику высококачественных легкоусвояемых белков, а также как основе продуктов лечебно-профилактического питания различных технологических форм. При этом весьма актуальна задача разработки всё новых видов оригинальных экстру-дированных продуктов. Одним из перспективных направлений в этой области является расширение ассортимента продуктов с развитой структурой, путем изменения их вкуса и аромата натуральным дымным копчением, что обеспечивает увеличение сроков хранения.

Значительный вклад в развитие теории копчения и создание новых видов коптильных установок внесли И.А. Рогов, В.И. Курко, A.M. Ершов, Ю.А. Фатыхов, Г.И. Касьянов, В.А. Оноприйко, и др.

Одним из методов интенсификации дымного копчения является использование электростатического поля, которое позволяет существенно интенсифицировать осаждение компонентов дыма на поверхность продукта в процессе копчения. Время протекания процесса электростатического копчения по сравнению с традиционным копчением сокращается в несколько десятков раз [29, 30,127].

Однако большая скорость электростатического копчения (при средней плотности дыма составляет 20-30 мин) связана лишь с ускоренным переносом коптильных частиц к поверхности продукта, а проникновение их внутрь продукта лимитируется развитой структурой продукта и запертым (блокированным) в его порах воздухом.

Поэтому для решения задач, связанных с обеспечением высокой эффективности электростатического копчения необходима разработка процесса обеспечивающего проникновение коптильных частиц внутрь продукта с развитой поверхностью, путем устранения лимитирующих факторов на их пути.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежской государственной технологической академии в рамках госбюджетной научно - исследовательской работы (№ государственной регистрации 01970008818).

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ НАСЫЩЕНИЯ. АРОМАТОМ ДЫМА ПРОДУКТОВ

С РАЗВИТОЙ СТРУКТУРОЙ

Большое разнообразие копченой продукции на сегодняшний день требует более углубленного изучения и совершенствования техники и технологии для осуществления процесса электростатического копчения. Однако интенсивное нанесение в электростатическом поле коптильных компонентов на поверхность продуктов с развитой структурой не приводит к проникновению их внутрь продукта. Это связано с тем, что в продуктах с развитой структурой диффузионные процессы сводятся на нет, с одной стороны, из-за очень тонкой структуры перегородок и волокон, из которых состоит продукт, а с другой стороны коптильные компоненты не могут проникнуть в поры продукта из наличия в них воздуха.

Одним из копченых продуктов с развитой структурой могут быть копченые продукты, которые на рынке представлены в форме различных экструдатов или вспученных продуктов, предназначенных для употребления в основном в виде сухих завтраков, обладающих сбалансированным по составу аминокислотами и обогащенных целевыми физиологически активными компонентами.

1.1. Продукты с развитой структурой как объекты исследований процесса копчения

В настоящее время на российском рынке широко представлены разнообразные экструдированные соевые белковые продукты производства ведущих зарубежных фирм: "Профам", "Ардекс", "Данпро", "Майкон", и др. [63, 92, 114]. В то же время, несмотря на определенные успехи, отечественное производство белковых экструдированных продуктов практически отсутствует, требуются дополнительные исследования по оценке животных и растительных белков в функционально-технологическом аспекте, расширению объектов и форм пищевых белковых продуктов.

В ряде работ [33, 83, 92] показаны перспективы белковых препаратов чечевицы разной степени очистки в технологии комбинированных мясных

продуктов широкого ассортиментного спектра. Отечественные аналоги соевых белковых препаратов рекомендуются для применения в технологии экс-трудированных комбинированных белковых мясо-растительных продуктов.

Растительные белки обеспечивают биологическую полноценность пищевых продуктов, балансируют аминокислотный состав, позволяют целенаправленно регулировать функционально-технологические свойства пищевых систем.

Полноценное, сбалансированное по качественному и количественному составу нутриентов [131] и физиологически активных веществ питание имеет определяющее значение в жизнеобеспечении человека, во многом обусловливая его развитие, состояние здоровья, эффективность деятельности.

Возрастающий дефицит полноценного белка в пищевых рационах обусловливает актуальность изыскания его дополнительных источников, в первую очередь растений, а также максимального и рационального использования вторичного белкового сырья мясной отрасли.

Эффективная реализация биологической и технологической функциональности нетрадиционных белковых ресурсов возможна путем разработки и реализации частных технологий комбинированных мясо-растительных биопродуктов нетрадиционных технологических форм.

Большие потенциальные возможности в реализации широкого спектра функциональных белковых композитов и готовых к употреблению продуктов имеет варочно-экструзионная технология. Совмещение термо-, гидро- и механической обработки, а также гомогенизации растительного и животного пищевого сырья позволяет решить важные проблемы, связанные с качеством экструдированных продуктов: формирование заданных структурно-механических свойств и органолептических характеристик, сохранение биологической и пищевой ценности сырьевых ингредиентов, подавление патогенной микрофлоры [102, 154]. Варочно-экструзионная технология позволяет увеличить не только ассортимент новых видов продукции, но и область использования нетрадиционных сырьевых ресурсов животного происхождения,

в частности, вторичное коллагенсодержащее сырье мясной промышленности и мясо птицы механической обвалки.

Реализуя нетрадиционные подходы и способы рационального использования белков при придании продуктам полифункциональности, в качестве основного сырья для получения оригинальных белковых продуктов и композитов использовали растительные (чечевичную крупку и манную крупу), высушенные животные компоненты в виде тонко измельченной, порошкообразной массы (вторичное коллагенсодержащее сырье мясной промышленности и мясо птицы механической обвалки), а также пищевые ингредиенты и добавки: порошкообразные мол очно-овощные полуфабрикаты (ТУ 91640012068102, производимые ОАО "Кондитер", г. Воронеж); поваренную соль, специи, сахарную пудру, лимонную кислоту, витамины А, Б, Е.

При выборе рациональных технологических параметров для экструзии пищевых смесей на основе разработанных рецептурных композиций, сбалансированных по составу аминокислот и обогащенных целевыми физиологически активными компонентами за счет дозированного введения белковых компонентов животного происхождения, базировались на закономерностях изменения их свойств под действием механических нагрузок, создаваемых рабочими органами экструдера.

На основе базовых рецептурных композиций комбинированных продуктов, сбалансированных по составу незаменимых аминокислот, оптимизированных по критерию «коэффициент различия аминокислотного скора» по сравнению с идеальным белком по шкале, рекомендованной ФАО/ВОЗ на базе методов математического проектирования продуктов заданного химического состава разработаны рецептурные композиции (табл. 1.1) и получены в опытно-производственных условиях комбинированные продукты трех видов экструдированных продуктов - палочек хрустящих различной вкусовой гаммы: сладких, соленых, витаминизированных.

Таблица 1.1

Рецептуры экструдированных комбинированных

мясо-растительных продуктов

Перечень компонентов Расход компонентов на изготовление продукта, кг на 100 кг сырья

Палочки хрустящие

сладкие соленые витаминизированные

Рецептуры

1 2 3 4 5 6

Коллагеновый полуфабрикат 12,00 13,00 13,00 14,40 14,00 14,00

Мясо птицы мех. обвалки 6,00 7,00 8,40 7,00 5,00 6,00

Мука чечевичная 55,00 56,00 51,00 52,00 55,00 56,00

Крупа манная 15,00 14,00 16,00 17,00 16,00 15,00

ПМОП 5,00 3,00 6,00 4,00 6,00 5,00

Сахарная пудра. 5,75 5,75 - - 2,1 2Д

Соль поваренная 1,00 1,00 2,50 2,50 1,50 1,50

Чеснок сушенный - - 1,50 1,50 - -

Перец красный молотый - - 1,50 1,50 - -

Перец душистый молотый - - 0,05 0,05 0,02 0,02

Корица 0,02 0,02 - - 0,02 0,02

Ванилин 0,03 0,03 - - - -

Мускатный орех - - 0,05 0,05 - -

Лимонная кислота 0,2 0,2 - - 0,3 0,3

Витамины: мг, %

Е - - - - 20 19

А - - - - 3,1 3,2

Б - - - - 0,029 0,029

При использовании матриц различной конфигурации продукты могут иметь разнообразную форму: цилиндров, крестиков, ракушек и полых цилиндров.

Рецептурные варианты трех видов изделий различаются белковым наполнителем животного происхождения и функционального назначения входящих ингредиентов.

Установлено, что использование белковых компонентов животного происхождения массовой долей до 20 % в качестве наполнителей повышает

пищевую ценность продуктов и позволяет целенаправленно обогащать их отдельными ингредиентами (функциональными аналогами пищевых волокон, минеральными компонентами, витаминами, полиненасыщенными жирными кислотами).

При разработке новых видов белковых продуктов на основе варочно-экструзионной технологии существенный интерес представляет оценка влияния экструзионной обработки на химический, фракционный состав, физико-химические и функционально-технологические экструдатов [92, 93].

1.1.1 Химический, фракционный состав, физико-химические и функционально-технологические свойства экструдатов

Известные технологические приемы получения текстурированных продуктов имеют целью придать волокнистую структуру глобулярным или волокнистым белкам, не имеющим желаемой нативной структуры. Пищевая промышленность располагает ограниченными средствами модификации белковых молекул, поскольку использование химических процессов очень ограничено по причинам правовой регламентации. В изготовлении текстурированных продуктов питания направленность технологических воздействий имеет целью направленное изменение пространственной структуры белков с учетом известных фактов, что наиболее легко подвержены внешним воздействиям нековалентные связи, предопределяющие вторичные и третичные структуры (водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия), а в некоторых случаях - специфические ковалентные связи (так называемые дисульфидные мостики).

Белки в природе представлены очень большим разнообразием структур в зависимости от организации молекулярных цепей на четырех уровнях.

Многие белки имеют пространственную конфигурацию сферического типа и называются глобулярными. В противоположность этому некоторые белки обладают продольно-ориентированной структурой и называются фибриллярными.

Натуральные волокнистые белки, как фиброин шелка, кератин шерсти, коллаген соединительной ткани, состоят из упорядоченных пучков белковых молекул, в некоторых местах образующих кристаллические зоны. Эти зоны обуславливают структуру и механические свойства белков. Волокнистые белки могут быть представлены вторичными структурами разных типов: а - у кератина, Ь - у фиброина, тройная спираль - у коллагена. Волокнистые структуры могут также содержать боль