автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование вакуумного способа сушки казеина

, ц «88

На правах рукописи

ШАРШОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО СПОСОБА СУШКИ КАЗЕИНА

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена в Воронежской государственной технологической академии

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор С/Г. АНТИПОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор К.К. ПОЛЯНСКИЙ кандидат технических наук, доцент Н.М. ДЕГТЯРЕВ

Ведущее предприятие - АО "Вита-Сервис"

Защита диссертации состоится "29" декабря 1998 г. в 1430 часов 1 заседании диссертационного Совета Д 063.90.01 при Воронежем государственной технологической академии по адресу: 394017, Воронеж, пр-т Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовс печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совс академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан "_" ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного доктор технических наук, профессор

В.С.Григорс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед пищевой промышленностью России, является обеспечение населения страны сбалансированным и полноценным питанием.

Потребность в белках в среднем на человека определена научно обоснованными нормами питания в количестве 90-100 г в сутки, при этом на долю белков животного происхождения приходится около 55%. У нас в стране существует проблема белкового дефицита, решению которой может способствовать обогащение продуктов различными пищевыми добавками.

Белки молока, как одна из важнейших его составляющих, относятся к полноценным животным жирам. Они содержат огромный набор аминокислот, в том числе и незаменимых, которые не синтезируются в организме человека. Нежирное молочное сырье, которое пока используется недостаточно эффективно, содержит существенные резервы молочного белка.

Среди молочно-белковых концентратов казеин отличается высоким содержанием белка 85-90%. Удовлетворение потребности пищевой промышленности в такой ценной пищевой добавке, как казеин, сдерживается из-за недостаточно развитой технической базы. Наиболее узким участком в процессе получения высококачественного казеина является его завершающая технологическая операция - сушка.

Выбор эффективного способа сушки казеина является актуальной задачей, к решению которой можно приблизиться путем совершенство-

вания существующих и разработкой новых способов сушки и конструкций сушильных установок.

Цель работы. Целью диссертационной работы является научное обоснование, разработка и исследование вакуумного способа сушки казеина, позволяющего получить конечный продует высокого качестза и исключить его потери.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- обобщение и определение некоторых характеристик казеина как объекта сушки;

- исследование кинетики сушки казеина в условиях вакуума при инфракрасном энергоподводе и обоснование выбора оптимальных параметров процесса сушки;

- построение математической модели процесса сушки в вакууме;

- создание конструкций непрерывнодействующих вакуумных ленточных сушилок и устройств для непрерывной подачи продукта в вакуумную камеру;

- разработка автоматического управления процессом в вакуумной сушилке непрерывного действия с комбинированным подводом теплоты.

Научная новизна. Разработан способ вакуумной сушки казеина с комбинированным подводом теплоты. Построена математическая модель процесса с учетом теплофизических характеристик. Исследован прогрев продукта инфракрасными лучами. Определены рациональные характеристики излучателя. Определено влияние вакуума на интенсивность процесса обезвоживания. Исследовано влияние толщины слоя продукта и размера гранул на осуществление процесса обезвоживания казеина в ва-

кууме при инфракрасном нагреве. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны оригинальные конструкции непрерывнодействующих вакуумных сушилок, защищенных двумя патентами и двумя положительными решениями Комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам. Разработана схема автоматического управления процессом в вакуумной ленточной сушилке непрерывного действия с инфракрасным подводом теплоты.

Практическая ценность. Разработана конструкция вакуумной установки для осуществления предлагаемого способа, по которой получен патент РФ № 2100718. Данный способ позволяет повысить качество высушенного казеина, исключить потери продукта и загрязнение окружающей среды.

Проведенные исследования позволяют рассчитать основные технологические параметры проведения процесса в вакуумной ленточной сушилке непрерывного действия с комбинированным подводом теплоты.

Определены рациональные режимы обезвоживания казеина инфракрасным излучением.

Разработаны конструкции вакуумных ленточных сушилок с инфракрасным подводом теплоты (патент РФ № 2015470 и положительное решение по заявке № 96110815/06 от 18.09.97г.).

Расчет экономической эффективности показал, что внедрение в производство одной сушилки для осуществления разработанного способа сушки обеспечит годовой экономической эффект около 56 тыс. руб. (в ценах 1997 г.).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии с 1994 по 1998 гг., на межрегиональной научно-практической конференции "Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных реформ хозяйствования" (Воронеж ВГАУ, 1997 г.), на межреспубликанских и международных конференциях (Краснодар 1993 г., Тамбов 1994 г., Волгоград 1995 г., Могилев 199^ г., Краснодар 1997 г.).

Результаты настоящей работы демонстрировались во Всероссийском Выставочном Центре (диплом) и на Международной постоянно действующей выставке «Агробизнес Черноземья» (два диплома).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в то\ числе 2 патента РФ и 2 положительных решения Комитета Российское Федерации по патентам и товарным знакам.

Структура » объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работе изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 51 рисунок 7 таблиц. Список литературы включает 106 наименований. Приложение к диссертации представлены на 20 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определены основные направления проведения исследований.

В первой главе рассмотрен казеин как объект сушки. Систематизированы его теплофизические характеристики и рассмотрены особенности протекания процессов тепло- и влагопереноса при его обезвожива-

нии. Проведен анализ существующих, способов сушки казеина, как у нас в стране, так и за рубежом. Рассмотрены конструкции сушилок, применяемых сейчас в промышленности и перспективных. На основе анализа была проведена сравнительная оценка этих способов, выявлены их преимущества и недостатки.

Для предложенного выше способа сушки казеина сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй г лике изложено описание техники и методики экспериментальных исследований разработанного способа вакуумной сушки казеина с комбинированным подводом теплоты.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что процесс сушки в вакуумной камере подразделяется на два периода: период "сушки", соответствующий периоду постоянной скорости сушки и период "досушки", соответствзтощий периоду падающей скорости сушки. При этом величина этих периодов регулируется скоростью движения транспортирующих конвейеров, а количество подводимой к продукту энергии зависит от наличия в нем остаточной влажности и регулируется мощностью ИК-излучения и температурой греющей плиты.

Исходя из этого, выяснено влияние вакуума на характер протекания процесса в различные периоды сушки. Получена зависимость изменения температуры продукта (рис.1) и определено количество удаляемой из продукта влаги под действием вакуума.

Проведены исследования характеристик казеина, как объекта сушки ИК-лучами (рис.2). На основе анализа спектральных характеристик был выбран рациональный участок спектра от 1,2 мкм до 1,4 мкм, в

т. с

О 2 А 6 е 10 12 14 16 18 20

л*

L, ИНН

Рис. 1. Изменение температуры гранул казеина под действием вакуума.

котором казеин обладает с одной стороны высокой пропускной способно стью, а с другой - низкой отражательной способностью. Для намеченной участка спектра был подобран излучатель, максимум энергии излучени которого приходится на этот диапазон.

13000 10000

0.75

1.5 1.75

Длина волны, мкм

Рис.2. Спектральная характеристика казеина и генератора излучения тип НИК: 1 - отражательная способность казеина; 2 - спектр излучения кварцевог излучателя типа НИК при и=220 В, Т=2250 °К; 3 - спектр излучения кварцевог излучателя типа НИК при н=150 В, Т=1960 °К; 4 - пропускная способность га зеина.

Известные спектральные характеристики нагревателя и продукта позволили рассчитать температурное поле слоя. Оказалось, что зона максимальных температур лежит в толще продукта. Экспериментальные термограммы подтвердили качественную картину распределения температур (рис.3). В результате было установлено, что эта глубина Ь составляет примерно 4 мм.

Рис.3. Температурное поле слоя казеина толщиной 11=15 мм при одностороннем облучении с расстояния 0,2 м: 1 - т = 30 с; 2 - т = 2 мнн; 3 - -с = 3 мин; 4 - т = 4 мин; 5 - т = 5 мин; б - т = б мин; 7-х = 7 мин; 8 - т = 8 мин; 9 - т = 9 мин.

Для исследования процесса сушки были проведены эксперименты по изучению влияния размера гранул и высоты слоя на кинетику сушки. Установлено, что рациональный размер гранул с1эга составляет 4 мм. Влияние высоты слоя полностью соответствует классическим представлениям (рис.4). Для выбора рациональной высоты слоя были построены графики некоторых показателей процесса. Ни одна из этих функций не имеет экстремума, поэтому для нахождения оптимальной высоты слоя построили график целевой функции, представленный на рис.5. Анализ

полученных зависимостей позволил сделать вывод, что рациональная высота слоя 6 мм.

"С, НИН

о ю 20 за до 50 бо 7а во эв юо по 120 13а

Рис.4. Кривые сушки и скорости сушки казеина при различной высоте слоя й: о - 2 мм; © - 7 мм; а - 10 мм.

Рис.5. Показатели процесса сушки казеина при различной высоте слоя Ь: о - удельные энергозатраты на сушку; □ - время сушки до стандартной влажности; • - удельная производительность.

и

В третьей главе рассмотрены вопросы аналитического исследования процесса вакуумной сушки с комбинированным нагревом.

Определенные рациональные характеристики процесса были положены в основу математической модели, описывающей изменение влаго-содержания и температуры продукта.

При формулировании физической модели (рис.6.) принимаем стабильное поступательное движение потока высушиваемого продукта.

у, м

* I Г

1 участок

РЖ - излучатели

1 I Г

2 участок

1 I *

3 участок

(Р. ,Т.)

4 участок

Ь

Гранулированный продукт

]гт Транспортирующая лента

ПК - излучатели

х, м ,

Греющая |

плита I

Рис.б. Физическая модель сушильной установки В математической формулировке задачи допускаем постоянство физических характеристик, отсутствие продольного переноса тепла и неизменность структуры слоя по сечению.

С учетом принятых допущений получена система дифференциальных уравнений в частных производных: дС

дх

= а.

д2С _ 32Т + ат5т---

Эу

ду2

оТ д2Т

"Г-- спрР- л.--—

^ ду2

+ Бр0Т--

сС

01

(1)

(2)

д@} _ д2&! • Стрт — лт • ,

ах 0у2

с граничными условиями на входе при х=0

С(0,у)=Со, Т(0,у)=То, ©!(0,у)= ©,о на греющей поверхности

Я.,-

б®)

ду

= -ч

ксшд

У=-11Т

О '

(4)

(5)

на свободной поверхности сТ

к-

°У

= -а(Т(х,1г)-Тс)-(1-£')р0Рс(С(х,Ь)-Сс)г-овСС -Т4^)), (6)

у=ь

дС

' ду

=а«Л'

у=Ь

ду

у=Ь

(7)

с условиями сопряжения соприкасающихся поверхностей транспортирующей ленты и слоя высушиваемого продукта

т(х,у)!0 = е1(х,у)| (8)

л-

ат

Эу

у=0

ду

(9)

у=0

и условием непроницаемости для влаги через поверхность транспортирующей ленты

дС

ду

у=0

ас

ау

= о

(10)

у=0

При решении модели [формулы (1)-(10)] были приведены к безразмерной форме. Для выполнения расчета была составлена программа для

ПЭВМ Pentium-166 ММХ, проведен машинный эксперимент и получены зависимости, представленные на рис.7 и 8.

Рис.7. Влагосодержание и темпе- Рис.8. Поле распределения температур ратура высушиваемого продукта в по толщине слоя 1г высушиваемого про-движущемся слое: 1 - температура; дукта в сечениях от места загрузки к 2 - влагосодержание. месту выгрузки.

Сопоставление полученных значений с данными натурного эксперимента подтвердили адекватность модели, расхождение составило не более 5%.

Глава четвертая посвящена вопросам разработки конструкций вакуумных ленточных сушилок непрерывного действия с комбинированным и инфракрасным подводом теплоты, созданию устройств для загрузки и выгрузки продукта, а также разработке схемы автоматического управления процессом сушки.

На рис.9 представлена конструкция вакуумной ленточной сушилки непрерывного действия с комбинированным подводом теплоты, защищенная патентом РФ № 2100718.

Преимущества разработанной конструкции заключаются в следующем:

- обеспечение высокого качества готового продукта за счет щадящего режима обработки;

- снижение длительности процесса сушки вследствие увеличения разности парциальных давлений паров в приграничном слое продукта;

- исключение потерь продукта и тепла с отработанным сушильные агентом и обеспечение экологической чистоты процесса;

- полное использование объема сушильной камеры, так как рабочим^ являются обе ветви двух конвейеров.

Рис.9. Вакуумная сушилка для казеина непрерывного действия: 1 - корпус 2,3 - транспортирующие конвейеры; 4,5 - ИК-излучатели; 6,7 - загрузочное разгрузочное устройства; 8 - сушильная камера; 9,10 - желоба; 11 - греюща плита; 12 - направляющая; 13 - изолирующая плита; 14 - бункер питатель.

Важным аспектом для организации непрерывности процесса сушк под вакуумом является осуществление равномерной подачи продукта сушильную камеру. С этой целью был разработан поршневой вакуумны затвор, представленный на рис.10, защищенный положительным реше-

нием по заявке № 96111573/06 от 22.10.97г.

Рис.10. Непрерывнодействующий вакуумный затвор". 1 -корпус; 2,3 - поршень; 4 - направляющая; 5,6 - боковые крышки; 7,8 - штуцер; 9.13,14 - камера; 10 - уплотняющие прокладки; 11 - уплотнительные кольца;. 12 - разгрузочный патрубок; 15 - загрузочный патрубок.

Для разработанной сушильной установки и для проведения в ней предлагаемого способа, нами была разработана схема автоматического управления процессом. В качестве оптимизируемых показателей были приняты влажность продукта при пересыпании с верхнего конвейера на нижний и влажность готового продукта. В качестве управляющих воздействий выбраны: температура греющей плиты, температура инфракрасных излучателей, линейные скорости конвейеров и расход продукта на сушку.

Пятая глава посвящена практической реализации научных и про-сктно конструкторских решений. В ней рассматривается эксплуатация опытно-промышленного образца и приведена его техническая характеристика.

В табд.1 даны основные качественные характеристики казеина высушенного промышленным и предлагаемым способами.

Таблица 1.

Сравнительная оценка качественных показателей казеина

Наименование показателя Промышленный способ Предлагаемый Способ

Внешний вид Сухое зерно Сухое зерно

Цвет Светло кремовый с включением белых и коричневых гранул в количестве 2-3% Белый, однородный

Форма и структура Зерно плотное, произвольной формы Зерно пористое, одной формы

Запах и вкус Нормальный запах, попада- Нормальный, без посто-

ются частицы, имеющие ронних привкусов и за-

горьковатый привкус пахов

Консистенция Сьщучая Сыпучая

Содержаще влаги,% 12 12

жира,% 1,5 1,5

Кислотность 40 °Т 40 °Т

Объем осадка на 1г. 0,2 менее ОД

казеина, см3

Анализ качественных показателей (табл. 1) свидетельствует о том,

что качество казеина, высушенного предлагаемым способом в вакуумной ленточной сушилке с комбинированным подводом теплоты, в сравнении с существующим способом, где используется горячий теплоноситель повышается: так объем нерастворимого осадка уменьшается более чем в два раза, улучшается внешний вид, достигается однородность цвета и исключается горьковатый привкус частиц.

Эффективность использования результатов работы представлена в табл.2.

Таблица 2.

Эффективность использования результатов работы

Наименование разработки Место испытания или внедрения Экономи-чес-кая эффективность Результаты Экспонирования

Вакуумная установка непрерывного действия для сушки термолабильных продуктов (Патент РФ №2015470) ВГТА (лаборатория вакуумной сушки кафедры МАПП) 12 млн. руб. Диплом Всероссийского Выставочного Центра (постановление №21-н от 26.01.93)

Вакуумный способ сушки сыпучих продуктов и установка для его осуществления (Патент РФ №2100718) АО "Вига-Сервис" (гормолзавод №2) 29 млн. руб. Участие в выставке Госкомвуза "Иновацни в ВУЗе", 22 декабря 1994 года, г.Москва (каталог выставки)

Вакуумный затвор для сыпучих пищевых продуктов (Положительное решение по заявке №96111573/06 от 22.10.97) Воронежское региональное 'отделение Международной Академии Холода 7 млн. руб. Выставка учебных и научных учреждений ЦентральноЧерноземной зоны, Воронеж-96

Способ получения сухих молочных продуктов с использованием вакуума (Положительное решение по заявке №96110815/06 от 18.09.97) АООТ "Комбинат молочный Воронежский" 136 млн. руб. Диплом Международной постоянно действующей выставки «Агробизнес Чер-ноземья»-"Молоко-переработка-97"

Вакуумная сушилка для пастообразных продуктов с инфракрасным подводом теплоты (Заявка №98106668/06) ООО «ТЕОС» 88 млн. руб. Диплом Международной постоянно действующей выставки «Агробизнес Чер-ноземья»-"Мясо-молочная индустрия и ветеринария-97"

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан способ вакуумный сушки казеина с комбинирован ным подводом теплоты.

2. Построена математическая модель процесса с учетом теплофизи ческих характеристик продукта и параметров процесса..

3. Исследован прогрев продукта инфракрасными лучами, опреде лены рациональные характеристики излучателя и влияние вакуума н интенсивность процесса обезвоживания .

4. Определено влияние толщины слоя продукта и размера грану; на осуществление процесса обезвоживания казеина в вакууме при ин фракрасном нагреве.

5. Разработан ряд конструкций непрерывнодействующих вакуум ных сушилок и устройство для осуществления непрерывной подачи про дукта в вакуумную камеру.

6. Разработана схема автоматического управления процессом в ва куумной ленточной сушилке непрерывного действия с комбинированны!, подводом теплоты.

Приоритет и новизна результатов подтверждены двумя патентам] и двумя положительными решениями Комитета Российской Федеращн по патентам и товарным знакам. Результаты работы отмечены дипломов Всероссийского Выставочного Центра и двумя дипломами Международ ной постоянно действующей выставки «Агробизнес Черноземья».

Расчет экономической эффективности показал, что внедрение ) производство одной вакуумной ленточной сушилки непрерывного дейст вия с инфракрасным подводом теплоты, производительностью 25000 к

в год, обеспечит годовой экономический эффект в размере около 56 тысяч рублей (в ценах 1997 года).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - влагосодержание продукта кг/кг; Т - температура материала, К; х, у -соответственно координата вдоль направления движения материала и в его поперечном сечении; т - время, с; ат - коэффициент диффузии влаги, м2/с; 5Т - относительный коэффициент термодиффузии; Спр - приведенная удельная теплоемкость влажного тела, Дж/кг К; ре - плотность абсолютно сухого продукта, кг/м3; X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м К); с' - коэффициент фазового превращения, характеризующий отношение потоков парообразной и жидко)! фазы; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Сг - удельная теплоемкость материала транспортирующей ленты, Дж/(м К); рт - плотность материала транспортирующей ленты, кг/м3; - температура ленты, К; - коэффициент теплопроводности материала транспортирующей ленты, Вт/(м К); дКОнД -поток теплоты от кондуктивного источника теплоты, Вг/м2; кт - толщина транспортирующей ленты, м; Б - определяющий линейный размер свободной поверхности, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вг/(м2 К); рс - коэффициент массоотда-чи, кг/[м2с/(кг/м3)]; е -приведенная степень черноты облучаемого тела; Тжл -температура излучателя, К; а -постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2К4); 1г -толщина слоя продукта, м.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Завьялов Ю.А., Мордасов А.Г., Шаршов В.Н. Оценка способов вакуумной сушки пищевых продуктов // Модернизация существующих и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1991. - Вып. 1,-С.24-25.

2. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Завьялов Ю.А. Вакуумная ленточная сушилка непрерывного действия для сыпучих материалов // Проблемы ресурсосберегающих и природоохранных технологий и оборудование

для переработки и хранения сельскохозяйственного сырья: Тез. докл. Рос науч.-практ. конф. с Международным участием. - Краснодар, 1993. С.34-35.

3. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Завьялов Ю.А. Вакуумная ленточ ная сушилка непрерывного действия // Проблемы химии, и химическое технологии: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Тамбов, 1994. - С.77

4. Антипов С.Т., Шаршов В.Н. Применение вакуума при разработке сушилок для экологически опасных производств // Процессы и обору дование экологических производств: Тез. докл. III межреспубликанской науч.-техн. конф. - Волгоград, 1995,- С.96-97.

5. Шаршов В.Н. Вакуумный способ сушки сыпучих материалов \ установка для его осуществления // Тез. докл. науч. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Воронеж, 1995.- С. 136-138

6. Кретов И.Т., Шаршов В.Н., Горбань П.В. Установка для непрерывной вакуумной сушки жидких продуктов // Модернизация существующих и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1995. -Вып. 5.- С.32-33.

7. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Завьялов Ю.А. Непрерывнодейст-вующая вакуумная ленточная сушилка для сыпучих продуктов // Научно-технический прогресс в пищевой промышленности: Тез. докл. международной науч.-техн. конф. - Могилев, 1995. - С.59.

8. Шаршов В.Н. Выбор способа сушки казеина на основе анализа известных линий его производства // Модернизация существующих и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности:

Сб. науч. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1996. - Вып. 6,-С.65-66.

9. Антипов С.Т., Шаршов В.Н. Особенности вакуумной сушки казеина в установке непрерывного действия // Совершенствование процессов пищевой промышленности. Технология и процессы пищевых производств: Сб. науч. тр. - Краснодар, 1997. - 4.1. - С. 119-122.

10. Завьялов Ю.А., Шахов C.B., Шаршов В.Н. Применение вакуумной сушилки ленточного типа для получения сухих продуктов с заданными свойствами // Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования: Тез. докл. межрегиональной науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов - Воронеж, 1997.-4.2. - С. 124-125.

11. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Завьялов Ю.А. Сушилка для гранулированных термолабильных продуктов // Тез. докл. и сообщений XXXV отчетной науч. внутривузовской конф. за 1996г. - Воронеж, 1997,-С.26.

12. Антипов С.Т., Шаршов В.Н. Сушка казеина с использованием вакуума в установке непрерывного действия /У Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности: Тез докл. Международной науч.-техн. конф. - Воронеж, 1997. - С.258-259.

13. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Моделирование процесса сушки в вакууме // Модернизация существующих и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1997. - Вып. 7,- С. 132-134.

14. Шаршов В.Н., Завьялов Ю.А., Аю Ж.Л. Способ вакуумной сушки жидких и пастообразных // Тез. докл. и сообщений XXXVI отчет-

ной науч. внутривузовской конф. за 1997 г.- Воронеж, 1998,- С.151.

15. Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Павлов И.О., Завьялов Ю.А. Мо делирование процесса вакуумной сушки казеина в установке непрерыв ного действия // Модернизация существующих, и разработка новых видо оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. тр. / Воронеж гос. технол. акад. - Воронеж, 1998. - Вып. 8,- G.94-96.

16. Аю Ж.Л., Шаршов В.Н. Экспериментальная установка перио дического действия для сушки пастообразных продуктов // Модерниза ция существующих и разработка новых видов оборудования для пищево) промышленности: Сб. науч. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж 1998. - Вып. 8,- С.15-16.

17. Патент РФ 2015470, МКИ Cl, F26 В5/04. Вакуумная ленточна сушилка непрерывного действия для сыпучих материалов / Антипо С.Т., Данилов О.В., Завьялов Ю.А., Шаршов В.Н. (РФ). - № 4906235/06 Заявл. 26.08.93; Опубл. 30.06.94; Бюл. № 12.

18. Кретов И.Т., Антипов С.Т., Шаршов В.Н., Горбань П.В. Уста новка для непрерывной вакуумной сушки жидких продуктов: Положи тельное решение по заявке 96110815/06 от 18.09.97.

19. Завьялов Ю.А., Шаршов В.Н. Непрерывнодействующи вакуумный затвор: Положительное решение по заявке 96111573/0 от 22.10.97.

20. Патент РФ 2100718, МКИ Cl, F26 В5/04.. Вакуумный спосо сушки сыпучих материалов и установка для его осуществления / Антипо С.Т., Шаршов В.Н. (РФ). - № 95119438/06; Заявл. 20.11.95; Опубх 20.11.97; Бюл. №32.



ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

/л,

I

ШАРШОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 664.8.047

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО СПОСОБА СУШКИ КАЗЕИНА

Специальность: 05.18.12. - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................4

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ КАЗЕИНА

1.1 Характеристика казеина как объекта сушки..................6

1.2 Закономерности процесса обезвоживания казеина...........18

1.3 Сравнительный анализ способов сушки казеина и их аппаратурное оформление.................................23

1.4 Цели и задачи исследований..............................39

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО СПОСОБА СУШКИ КАЗЕИНА С

КОМБИНИРОВАННЫ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ,

2.1 Техника и методика проведения исследований..............40

2.2 Исследование спектральных характеристик казеина и

выбор источника излучения........................„......44

2.3 Анализ прогрева казеина при инфракрасном облучении......50

2.4 Определение влияние глубины вакуума на интенсивность процесса сушки казеина............................55

2.5 Влияние формы и размеров гранул на интенсивность процесса сушки казеина..................................60

2.6 Зависимость интенсивности процесса сушки казеина

от высоты слоя продукта..............,...................63

2.7 Выбор оптимального режима ИК-облучения казеина........67

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА СУШКИ

КАЗЕИНА В ВАКУУМЕ

3.1 Основные положения......................................71

3.2 Нестационарный нагрев казеина при различных режимах подвода теплоты.....................................75

3.3 Математическая модель процесса сушки казеина в виде уравнения теплопроводности с внутренним источником теплоты.......................................80

3.4 Тепломассоперенос в движущемся слое казеина при комбинированном способе подвода теплоты кондукцией

и инфракрасным излучением...............................83

3. 5 Реализация численной схемы решения задачи тепло-и массопереноса в движущемся слое казеина при

повторно-кратковременном режиме подвода теплоты.........94

Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВАКУУМНОЙ ЛЕНТОЧНОЙ СУШИЛКИ ДЛЯ КАЗЕИНА

4.1 Разработка конструкции вакуумной ленточной сушилки

для непрерывного обезвоживания казеина.................103

4.2 Вакуумное устройство для загрузки и разгрузки сыпучих продуктов......................................106

4.3 Автоматическое управление процессом сушки казеина

в установке непрерывной вакуумной сушки................109

4.4 Модернизация вакуумной ленточной сушилки и усовершенствование конструкции несущих элементов.......120

4.5 Перспективы развития конструкций вакуумных ленточных сушилок........................................123

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ И ПРОЕКТНО -КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ

5.1 Опытная эксплуатация вакуумной ленточной сушилки непрерывного действия..................................124

5.2 Экспериментальная проверка в производственных условиях вакуумной сушилки для казеина.................129

Основные выводы и результаты.................................131

Список использованной литературы.............................132

Приложения...................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед пищевой промышленностью России, является обеспечение населения страны сбалансированным и полноценным питанием.

Потребность белка, в среднем на человека, определена научно обоснованными нормами питания в количестве 90-100 г. в сутки, при этом на долю белков животного происхождения должно приходиться около 55% [86]. У нас в стране существует проблема белкового дефицита, решению которой может способствовать обогащение продуктов различными пищевыми добавками [24].

Белки молока, как одна из важнейших его составляющих, относится к полноценным животным белкам. Они содержат огромный набор аминокислот, в том числе и незаменимых, которые не синтезируются в организме человека. Нежирное молочное сырье, которое пока используется недостаточно эффективно, содержит существенные резервы молочного белка [79, 86, 87],

Среди молочно-белковых концёйтратов казеин отличается высоким содержание белка 85-90% [27,79]. Большие потребности в казеине привели к высоким темпам роста его производства, которые были обеспечены созданием новых технологических схем. Однако, удовлетворение потребности пищевой промышленности в такой ценной пищевой добавке, как казеин, сдерживается из-за недостаточно развитой технической базы. Наиболее узким участком в процессе получения высококачественного казеина является его завершающая технологическая операция - сушка [12, 17].

Сушка представляет собой сложный энергоемкий физико-химический процесс, в котором взаимосвязаны явления переноса тепла и

вещества. Процесс сушки казеина промышленными способами, сопряжен с рядом специфических трудностей, среди которых основными являются: неравномерность нагрева и конечной влажности продукта, изменение качества получаемого продукта от температурного уровня процесса и продолжительности пребывания материала в области максимально допустимых температур, а также унос продукта и тепла с отработанным теплоносителем и др. [50, 77].

При выборе способа сушки, конструкции сушильной установки и оптимальных режимов обработки казеина необходимо учитывать не только технологические условия производства, но и теплофизичес-кие свойства самого продукта, как объекта сушки. Конечной целью сушки является получение высококачественного казеина, удовлетворяющего всем предъявляемым к нему требованиям, при оптимальных затратах на проведение процесса и его экологической чистоте.

В связи с этим выбор эффективного способа сушки казеина является актуальной задачей, к решению которой можно приблизиться путем совершенствования существующих и разработкой новых способов сушки и конструкций сушильного оборудования.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ/ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

СУШКИ КАЗЕИНА

1.1 Характеристика казеина как объекта сушки

Все влажные материалы можно разделить на три вида: 1) коло-идные тела - это эластичные гели, которые при удалении влаги значительно изменяют свои размеры (сжимаются), но сохраняют свои свойства; 2) капиллярно-пористые тела (хрупкие гели) - это такие материалы, которые при удалении влаги становятся хрупкими, мало сжимаются и могут быть превращены в порошок, и 3) коллоидные, капиллярно-пористые тела - материалы, обладающие свойствами двух первых тел; стенки их капилляров эластичны и при поглащении влаги изменяются. В пищевой промышленности большинство материалов, подвергающихся сушке, являются коллоидно-дисперсными системами. К числу таких продуктов и относится сырой казеин [25, 30, 49].

Казеин находится, в молоке в форме мицелл, состоящих из ка-зеинат-кальций-фосфатных комплексов, и представляющих собой образования округлой формы со средним диаметром около .10'5 см, масса частиц которых составляет в среднем 0,3-Ю-15 г. Величина мицелл зависит от содержания ионов кальция в молочной сыворотке.

Казеиновый комплекс включает несколько фракций: а, |3, у, зе, различающихся между собой содержанием фосфора, отношением к сычужному ферменту и другими свойствами. В состав казеина входит около 20 аминокислот, в том числе и незаменимые: лейцин, изолей-цин, лизин, аргинин, метионин, фенилаланин, гистидин, триптофан. Глютаминовая кислота представляет 10-20% от общего содержания аминокислот [30, 79].

Примерное распределение составных частей в казеинат-каль-ций-фосфатном комплексе:

Кальций-казеинат

Аминокислоты 91,3%

95,

СаО 1,57%

Р2О5 177%

Са О Р 1,12% 21,6% 0,74%

Кальций-фосфат 4,8%

СаО 2,6%

Са

1,

Р20, 2, 2%

О

,98% О,

Казеин содержит около 80% всех белков молока - фосфор содержащий белковый компонент, осаждаемый при подкислении молока до рН 4,6-4,7. В зависимости-от вида осаждения различают кислотный и сычужный казеин. Первый содержит очень мало кальция, так как ионы водорода выщелачивают его из казеинового комплекса. Сычужный казеин, наоборот, представляет собой смесь казеинатов кальция [30, 63].

Для осаждения казеина можно использовать разные кислоты. Выбор их зависит от назначения казеина, так как под действием различных кислот получается различная структура осажденного кислотного казеина. Молочнокислотный казеин - рыхлый и зернистый, сернокислотный казеин - зернистый и слегка сальный; солянокис-лотный - вязкий и резинообразный.

Казеин не растворим в спирте и эфире, очень незначительно растворяется в воде (в 1 литре воды при 25°С растворяется около 0,11 г. казеина), но растворяется в щелочах, кислотах, некоторых органических солях, а также в смеси неорганических солей, составленной в такой пропорции, в какой они находятся в молоке.

Так как отдельные компоненты казеина резко отличаются друг

от друга растворимостью и чувствительностью к ионам кальция, построение казеиновых комплексов и объединение их мицеллы происходит по определенному принципу. Гидрофильные казеиновые фракции расположены на поверхности. Таким образом, в мицеллах наблюдается образование слоев, причем гидрофобные казенны располагаются преимущественно в ядре.

Поверхность мицелл - важнейшее место протекания реакций -по результатам новейших исследований состоит на 45% из а81-казеина и на 45% из эе-казеинов, причем эе-казеин, как защитный коллоид занимает особое положение. зе-Казеин, который составляет 15-20% от общей массы казеина, состоит из гидрофильной нечувствительной к ионам кальция, углеводсодержащей части и гидрофобной, чувствительной к ионам кальция.

Мономерный, не содержащий углеводов зе-казеин, состоит из простой полипептидной цепи, -включающей более 170 аминокислотных остатков, имеет относительную молекулярную -массу около 18900.

а81-Казеин преобладает среди казеинов и существует в нескольких вариантах. Вариант В состоит из простой фосфопротеидной цепи, включающей 199 аминокислот.

Относительная молекулярная масса мономера составляет 23616, а его отрицательный заряд при рН 6,8 равен примерно 22. а81-Казеин это гидрофобный казеин. Как и все другие фракции казеина, он характеризуется высоким содержанием пролина, что ограничивает вследствие двухмерного строения пролинового кольца его а-спира-леобразную структуру.

Строение казеиновых частиц в нативном состоянии можно представить следующим образом.

Мономеры казеиновых фракций, отличающиеся аминокислотным

составом и содержанием фосфора, образуют с помощью кальциевых мостиков казеиновые комплексы шарообразной формы. Мономеры основных фракций - осз1-, 0-, зе-казеины, вследствие относительно высокого содержания в них пролина и его равномерного распределения по всей полипектидной цепи, формируют первичные структуры -а-спирали. Однако в целом структура их довольно непрочная. Это явление, а также отсутствие серусодержащих аминокислот - цистеи-на и цистина - объясняют устойчивость казеинового комплекса к воздействию высоких температур.

Теплофизические характеристики.

Знание теплофизических характеристик материала необходимо при изучении механизма процессов тепловой обработки материалов, а также для обобщения результатов опытов методами теории подобия и для расчета самих процессов. К ним относятся физическая плотность рф, объемная масса рн, удельная теплоемкость С, теплопроводность X и коэффициент температуропроводности а казеина и казеинового сгустка в зависимости от температуры Т, влажности Ш и других определяющих факторов.

Имеющиеся сведения по теплофизическим характеристикам казеина как в нашей стране, так и за рубежом отрывочны, мало известны специалистами и зачастую противоречивы.

Значения истинной ри и физической плотности казеина, которые приводятся в различных источниках, неодинаковы. Истинная плотность казеина при 293 К составляет 1370 [96], а физическая плотность при той же температуре - 1260-1360 кг/м3. Физическая плотность сухой казеиновой чешуйки (ри=1370, кг/м3) колеблется от

1120 до 1180 кг/м3 [29]. Следовательно, скважистость слоя чешуек казеина составляет от 19 до 14%. Объемная масса сухого казеина при 79-2,32% и эквивалентный диаметр его частиц зависят от состояния, в котором он находится, солянокислом или раскисленном. Для сухого солянокислого казеина его объемная масса и эквивалентный диаметр соосветственно равны 287 кг/м3 и 0,33 мм, а для раскисленного, соответственно 463 кг/м3 и 0,13 мм. Значения истинной плотности частиц казеинового сгустка зависят от того, чем он осажден. При осаждении молочной кислотой, серной кислотой или сычужным ферментом она, соответственно, составляет 1360, 1370-1400 и 1440-1470 кг/м3. По данным зарубежных источников, физическая плотность казеинового пюре составляет 1320-1390 кг/м3.

Из литературы известно [25] влияние температуры, эквивалентного диаметра частиц казеина, содержания сухого вещества в концентрате, величины водородного показателя рН на физические показатели казеина.

Значение физической плотности (кг/м3) частиц казеина, охлаждаемых в системе "обезжиренное молоко плюс полисахарид в общем водном растворе", зависит от температуры и выражается формулой при 293СТ,К

рф-1512: (0,290+0, 0026Т> (1.1)

С возростанием эквивалентного диаметра й частицы казеина его физическая плотность увеличивается (рис.1.1 кривая 1) [19].

Физическая плотность казеина увеличивается с увеличением содержания его сгустка п в жидком концентрате (рис.1.1 кривая 2) [54, 76]

Приведенным на рис.1.1 (кривая 2) значениям рф=Г (п,%) со-

ответствуют следующие формулы:

при 14,71 < Ш,% < 21,77 и Т=293 К

рф= 998,7 + 3,286п, при 15 < Ш,% < 50 И Т=293 К рф= 1002 + 3,10п

(1.3)

(1.2)

При п=15-50% значения физической плотности жидкого концентрата казеина, вычисленные по формулам (1.2)' и (1.3), различаются незначительно; при п=0 и 100% отличаются от плотностей воды и сухого казеина менее чем на 3%. Эти данные свидетельствуют о том, что формулы (1.2) и (1.3) справедливы для определения физической плотности казеина при п=0-100%, а также о том, что процесс сушки казеина не сопровождается концентрацией (сжатием) системы "казеин-вода". Таким образом, для определения физической плотности казеина в процессе сушки можно использовать формулу

Из литературы известно [25], что физическая плотность на-тивного казеина больше, чем клейстеризованного, имеющего с ним одинаковые температуру и рН [106] (табл.1.1).

В работе [25] показано также влияние рН и Т на физическую плотность казеина (рис.1.1 кривые 3 и 4):

при повышении рН клейстеризованного казеина с 3,0 до 7,0 его физическая плотность увеличивается, а при дальнейшем возрастании рН - уменьшается;

с повышением температуры клейстеризованного казеина с 298 до 308К его физическая плотность уменьшается, а при дальнейшем повышении температуры - возрастает.

Исследовано влияние на физическую плотность и объемную мас-

при 0 < п,% < 100 и Т=293К рф=1000 + 3, 26п

(1.4)

295_301_307"_313_319 325 Т,°К

i i i i i i

Рис.1.1 Значение физической плотности казеина:

1- от эквивалентного диаметра d его частиц при W= 60%;

2- от содержания сгустка п в жидком концентрате при Т=293К; 3 от кислотности при Т- ЗОЗК;

А- от тпмппрптуры при pH- 7.0.

су концентрата натурального казеина (КНК) способа сушки и вида укладки (табл. 1.1) [70].

Таблица 1.1

Физическая плотность и объемная масса концентрата натурального казеина от способа сушки и вида укладки

Температура теплоносителя, К КНК, .полученный форсуночным способом сушки КНК, полученный дисковым способом сушки

на входе в сушилку на выходе из сушилки физическая плотность кг?м3 объемная масса рн (кг/м3) физическая плот ность кг/м3 объемная масса рн (кг/м3)

без уплотнения с уплотнением без уплотнения с уплотнением

573 368-369 914 410 472 800 314 405

553 362-359 1040 386 514 880 322 441

533 358-355 1170 ' 616 641 950 397 522

513 355-351 1250 774 816 ' 1010 465 579

493 348 1290 815 868 1040 494 586

Как видно из табл. 1.1, при повышении температуры теплоносителя с 493 до 573 К физическая плотность сухих частиц КНК уменьшается в 1,3 раза (при сушке дисковым способом распыления) и в 1,4 раза (при сушке форсуночным способом). При указанных изменениях температуры теплоносителей объемная масса сухих частиц КНК уменьшается в 1,57 и в 1,43'раза (соответственно без уплотнения и с уплотнением) при дисковом способе сушки и в 1,98 ив 1,84

раза (соответственно без уплотнения и с уплотнением) при форсуночном способе сушки. При одинаковых температурных параметрах-сушки физическая плотность КНК заметно больше при форсуночном способе сушки, чем при дисковом. Объемная масса КНК без уплотнения и с уплотнением больше при форсуночном способе сушки, чем при дисковом.

Используя значения элементарного состава сухого вещества казеина (0=53,07; Н=7,13; 0=22,60; N=15,64; Р=0,80; 8=0,76%) и закон Коппа и Неймана, рассчитали удельную теплоемкость сухого казеина. Она равна 1554,7 Дж/(кг-К). Это значение и правило ади-тивности позволили рекомендовать следующую формулу для расчета удельной теплоемкости казеина и его. раствора:

при 0 < п,% < 100 Ь Т=293К

0=4187-26,18п (1.5)

Удельная теплоемкость [Дж/(кг-К)] казеина в процессе сушки в виброкипящем слое определяется формулой

при 293 < Т,К < 333 и 7,6 < п, % < 60

2000Ш

С=-5775 + -- +25Т (1.6)