автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей в сельских хлебопекарнях

На правах рукописи

ЛУКИНА Дарья Владимировна

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЧ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДРОЖЖЕЙ В СЕЛЬСКИХ ХЛЕБОПЕКАРНЯХ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары - 2013

005530966

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственна сельскохозяйственная академия».

Научный руководитель —

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Новикова Галина Владимировна

Лекомцев Петр Леонидович, доктор технических наук, профессор, федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», декан факультета энергетики и электрификации;

Оболенский Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор, федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт», заведующий кафедрой «Механика и сельскохозяйственные машины».

Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ВИЭСХ).

Защита состоится 27.06.2013 г. в 15ш часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222, телефон (факс) 8(8352) 62-23-34, е.таП: info@academy21.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».

Автореферат разослан 22 мая 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.С. Алатырев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. По результатам 2011 года объем рынка дрожжей в России составил 90000 тонн, в Чувашской Республике — 787 тонн. Основным недостатком прессованных дрожжей является малый срок их хранения (12 суток со дня выработки), при котором клетки автолизируются и гибнут. В процессе хранения хлебопекарных дрожжей при температуре 2.. .4°С их бродильные свойства снижаются, что отрицательно влияет на конечный продукт. Поэтому поиск технологии, обеспечивающей улучшение качества хлебопекарных дрожжей, актуален. В ходе предварительных исследований было установлено, что электромагнитное излучение СВЧ диапазона способно влиять на изменение активности дрожжей, как повышать ее, так и деактивировать. В связи с этим разрабатывается установка для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей с использованием эндогенного нагрева.

Уровень разработанности темы. Известно, что электромагнитное излучение СВЧ диапазона способно влиять на изменение активности дрожжей, -как повышать ее, так и деактивировать в зависимости от величины напряженности электрического поля, поэтому следует выявить критическую напряженность. Отсутствуют также технические устройства, обеспечивающие за счет диэлектрического нагрева активацию бродильных процессов хлебопекарных дрожжей в поточном режиме.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование параметров СВЧ установки для теплового воздействия на дрожжи, обеспечивающей активацию бродильных процессов и улучшение качества хлебобулочных изделий.

Основные научные задачи:

- разработать методику технологического воздействия электромагнитным полем СВЧ на хлебопекарные дрожжи для активации бродильных процессов;

- разработать методику обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- выявить эффективные режимы работы СВЧ установки для тепловой обработки дрожжей, обеспечивающие активацию бродильных процессов и улучшение качества хлебобулочных изделий;

- разработать и апробировать в производственных условиях СВЧ установку для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей с оценкой их органолептических и физико-химических показателей;

- оценить экономическую эффективность применения СВЧ установки для тепловой обработки дрожжей в сельских хлебопекарнях.

Концепция. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева диэлектриков, с учетом теории электроники сверхвысоких частот решить научно-техническую задачу - разработка установки, обеспечивающей эффективные теплообменные процессы, активирующие жизнедеятельность дрожжевых микроорганизмов за счет воздействия электрического поля СВЧ диапазона определенной напряженности.

Объектом исследования являются: СВЧ установка и процесс технологического воздействия на хлебопекарные дрожжи для активации бродильных процессов; дрожжи и хлебобулочные изделия.

Предмет исследования - выявление закономерностей процесса тепловой обработки хлебопекарных дрожжей в непрерывном режиме во вращающейся сферической перфорированной резонаторной камере СВЧ генератора.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с частными методиками. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Параметры установки измеряли с помощью современных цифровых приборов, а структуру сырья и качество готового продукта оценивали через органолептические, физико-химические показатели по методикам, рекомендованными соответствующими стандартами.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические зависимости, позволяющие обосновать параметры рабочего органа СВЧ установки, обеспечивающей активирование хлебопекарных дрожжей в процессе тепловой обработки в сферической перфорированной резонаторной камере и центрифугирования;

- методика обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- закономерности влияния режимов работы установки на динамику эндогенного нагрева дрожжей с учетом изменения их диэлектрических и физико-механических параметров в процессе технологического воздействия;

- разработанная установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа, в виде вращающейся сферической перфорированной резонаторной камеры, расположенной в экранизирующем корпусе, обеспечивающая тепловую обработку хлебопекарных дрожжей в процессе центрифугирования (заявки на изобретение № 2012100555 от 10.01.2012 г. и № 2012154676 от 17.12. 2012 г).

- рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих активирование дрожжей, улучшающих качество хлебобулочных изделий, оцененных по органолептическим, физико-химическим показателям.

Практическую значимость представляют: изготовленная и апробированная в производственных условиях СВЧ установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей, позволяющая активировать бродильные процессы, а следовательно, улучшить качество хлебобулочных изделий; выводы, полученные по результатам исследования.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА. Исследование процесса активирования процессов хлебопекарных дрожжей осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственная проверка СВЧ установки - в ООО «Мор-гауши-Хлеб» Моргаушского района ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2010...2013 г.г.);

- на международных научно-практических конференциях «Актуальность вопроса совершенствования технологии производства и переработки продукции с.-х.» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ»,2011, 2012 г.г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 25.04.2012 г., 24.04.2013 г.).

Установка демонстрировалась на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (04.10.2012 г.), а также на форуме, посвященном Дню работника сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности при участии главы аграрного ведомства России (20.10.2012 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты исследований соискателя удостоены гранта молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК - 2013 г., 4 г. Чебоксары). *

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 научных работах, в том числе 4 - из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 128 наименований и приложений. Работа изложена на 182 страницах, содержит 61 рисунок и 28 таблиц.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту по специальности 05.20.02:

- математические зависимости и методика, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- разработанная и апробированная в производственных условиях СВЧ установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде вращающейся сферической перфорированной ре-зонаторной камеры, расположенной в цилиндрическом экранирующем корпусе, содержащем загрузочный измельчитель и выгрузной патрубок;

- рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающей активирование дрожжей для улучшения качества хлебобулочных изделий.

по специальности 05.18.12:

- разработанный технологический процесс тепловой обработки хлебопекарных дрожжей во вращающейся сферической перфорированной резонаторной камере СВЧ генератора;

- экспериментальная оценка рациональных режимов тепловой обработки хлебопекарных дрожжей и их влияние на качество хлебобулочных изделий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы; обозначены требования, предъявляемые к процессу тепловой обработки дрожжей в сельских хлебопекарнях; охарактеризованы решаемые в работе задачи, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований; выделен объект и предмет исследований; приведены основные положения, выносимые на защиту.

Основываясь на существующие способы и технические средства для активации бродильных процессов, предлагается обеспечить эндогенный нагрев хлебопекарных дрожжей во вращающейся сферической перфорированной резонаторной камере СВЧ генератора.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, существующих активаторов дрожжей, определены задачи исследований. Проанализированы физико-механические и диэлектрические параметры хлебопекарных дрожжей, как объекта исследования. На основе анализа определены методы решения поставленных задач.

Системный анализ литературных источников в областях:

- разработки технологического оборудования для производства хлебобулочных изделий, таких авторов как Афанасьева О.В. Ауэрман JI.Я, Хромеенков В.М., Медведев Г.М. и др.;

- электротехнологии - Стребков Д.С., Бородин И.Ф., Башилов A.M., Рогов И.А., Воробьев В. А., Кириллов Н. К., Кудрявцев И.Ф., Новикова Г. В., Цугленок Н.В. и др.;

- теории процессов и аппаратов — Кавецкий Г.Д., Лыков A.B., Плаксин Ю.М., Гинзбург A.C. и др.;

- теории центрифугирования - Жуков В.Г., Лукьяненко В.М. и др. позволил:

• усовершенствовать процесс активации хлебопекарных дрожжей;

• разработать эффективную модель лабораторной СВЧ установки для активации хлебопекарных дрожжей.

Дрожжи, как и бактерии, являются одноклеточными микроорганизмами размером 2...10 нм. Они содержат 68..83% воды и размножаются, как правило, вегетативно и почкованием. Известно большое разнообразие улучшения биотехнологических показателей хлебопекарных дрожжей, в частности используются физико-химические способы обработки - магнитные, термические, лазерные и электронно-ионные модификации. Активацию дрожжей следует рассматривать как стадию адаптации дрожжевых клеток к мальтозно-мучной среде, способствующую улучшению их биотехнологических свойств, интенсификации процесса брожения и, соответственно, улучшению качества хлебобулочных изделий.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей» приведены: структурная схема исследований; схема процесса тепловой обработки хлебопекарных дрожжей; элементы теории взаимодействия отдельных рабочих узлов с сырьем; методика обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы установки; теоретическое обоснование эффективной температуры и продолжительности воздействия ЭМП СВЧ. Технологическая схема тепловой обработки хлебопекарных дрожжей разработана с учетом нижеприведенных требований к процессу активации хлебопекарных дрожжей.

1. Активация дрожжей происходит за счет специфического действия энергии электромагнитного поля СВЧ диапазона определенной напряженности. Для этого определена критическая напряженность электрического поля, при которой потери мощности за счет теплопередачи гранулами дрожжей и их излучения намного выше, чем мощность потерь СВЧ энергии, обеспечивающей приращение температуры 15...25°С. После чего напряженность электрического поля согласована с объемом резонаторной камеры, добротностью и удельной мощностью СВЧ генератора, учи-

тывая при этом, что самая высокая добротность резонаторной камеры достигается при ее сферическом исполнении.

2. Установка работает в поточном режиме, обеспечивая эндогенный нагрев, аэрацию и перемешивание сырья, а также выгрузку дрожжевой муки. Для этого через центр верхней неподвижной полусферы направлен излучатель в сферическую резо-наторную камеру, и предусмотрено вращение нижней перфорированной полусферы с достаточно большой скоростью, обеспечивающей центрифугирование измельченных и эндогенно нагретых частиц хлебопекарных дрожжей. Для сочетания процессов перемешивания, аэрации и выгрузки готовой дрожжевой муки предусмотрена двухлопастная мешалка, вращающаяся с такой же скоростью, что и перфорированная полусфера.

3. Для равномерного распределения теплового потока по объему дрожжевого сырья необходимо, чтобы размер частиц, подвергаемых технологическому воздействию, был меньше глубины йроникновения электромагнитных излучений сантиметрового диапазона. Поэтому для измельчения прессованных дрожжей установка содержит «Волчок» с определенным набором ножей и решеток, обеспечивающих размер частиц, соизмеримый с глубиной проникновения ЭМИ.

Ниже приведена последовательность обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки (табл. 1).

Таблица 1 — Методика обоснования конструктивно-технологических параметров и

режимов работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

Согласование напряженности электрического поля с добротностью и объемом резонаторной камеры

Анализ диэлектрических параметров дрожжей е = 43,6 7"0'06 ; tgS = 0,\59 T°'699;k= 15,42 Т°т, (1) где £ - относительная диэлектрическая проницаемость хлебопекарных дрожжей, tgd - тангенс угла диэлектрических потерь (0,4), Т - температура, °С, к - фактор потерь.

Глубина проникновения ЭМП СВЧ у = 2-climbs • tgS), м, (2) где С - скорость распространения света в вакууме, м/с; СО - 2- 1/с, / - частота электромагнитного поля, Гц.

Объемная плотность мощности диэлектрических потерь Руд = (Е2 Е0 е- со- tg S) /4-1г, Bm/м, (3) где напряженность электрического поля, В/м, £0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

Гранулы дрожжей, диаметр d = у Потери мощности за счет теплопередачи — (4) Г где X - коэффициент теплопроводности дрожжей, X = 0,67 Вт/м-°С; Д77 г - градиент температуры в направлении радиуса образца, °С/м; S - площадь поверхности гранул дрожжей, м~; г, L- радиус и длина гранулы измельченных дрожжей, м.

Потеря мощности за счет теплового излучения Pmy4=a-S-T\Bm, (5) где о - излучательная способность абсолютно черного тела (5,7 • 10"8 Вт/м2 -"С4); Т- температура поверхности гранул дрожжей, Т~ (273+Д7) °С.

Микроорганизмы, диаметр £/=М04 см Потери мощности за счет теплопередачи Р -A-S- — г.™» - Л-й--, (6) где X - коэффициент теплопроводности микроорганизмов, Вт/м-°С; г - радиус микроорганизмов, м.

Потеря мощности за счет теплового излучения Pu^=<r-S-T\Bm, Т-температура поверхности микроорганизмов, Т= (273+Д7) °С. (7)

Критическая напряженность электрического поля

где Я - коэффициент теплопроводности образца, Вт/м-°С; 5" - площадь поверхности образца, м"; АТ— приращение температуры, °С._

Удельная мощность, подводимая к сырью, при известных физико-механических параметрах_

ДГ 1 р / з

р----,Bm¡ м

Ат r¡

(9)

где с - удельная теплоемкость дрожжей, кДж/кг-°С (с = 3,86 кДж/кг-°С при температуре 35°С); р - плотность дрожжей 1081... 1087 кг/м3; rj - термический КПД;_

Добротность резона-торной камеры

Согласование напряженности электрического поля с доброт-4 ностью резонаторной камеры

<2 = ш0\¥о/Р, (10)

где (о0- собственная частота объемного резонатора, 1/с, IVо - энергия электромагнитного поля, запасенная в резонаторе, Дж, Р - активная мощность, затрачиваемая на потери от вихревых токов в стенках резонатора, на потери через перфорации виде излучения и на потери в продукте, Вт.__

без сырья Е = Р <2 / 0,27е„Усо, В/м, (11)

где Р - мощность источника СВЧ излечения, Вт, О — добротность резонаторной камеры; V— объем резонаторной камеры, м .

с сырьем Е = Р ■ Q / 0,27 Л0 ■ е0- е- V eo, В/м, (12)

где с - относительная диэлектрическая проницаемость хлебопекарных дрожжей.

Сравнение критической напряженности с напряженностью, вычисленной через величину добротности и объема резонаторной камеры Е < Екр._

Обоснование производительности центрифуги (вращающейся полусферы резонаторной камеры, по стандартной методике технологического расчета центрифуги периодического действия)_

к=

А-к-

■4-F?) [br-r0-f¿

Pi

ñ

кг ' с'

(13)

где А = 0,5; х = 0,1; у = - 0,1; г = 2,04 - рекомендуемые значения коэффициентов для полусферы, зависящие от диаметра отверстий и живого сечения перфорации; к — эмпирический коэффициент, учитывающий забивание перфорации (к = 0,3... 0,35); ю - угловая скорость вращения полусферы, с1; г0 - внутренний радиус слоя дрожжей в центрифуге, м, (г0=0,117?); Я - радиус полусферы, м; р/ - плотность гранул, кг/м*; Р2 — плотность дрожжевой муки, кг/м ;

Исследование динамики эндогенного нагрева дрожжей

В стационарном и турбулентном режимах исследование распределение теплового потока по объему продукта и динамика его нагрева

Оценка качества дрожжей и хлебобулочных изделий опытного и контрольного образцов

Органолептические показатели вкус, цвет, запах

Физико-химические показатели кислотность, влажность, плотность, подъемная сила

Исследование мощности потока излучений

Плотность мощности потока излучений на определенном расстоянии от источника сравнение с допустимой мощностью потока излучений для оператора при четырехчасовом рабочем режиме

Оценка экономической эффективности

Эксплуатационные расходы на тепловую обработку дрожжей по базовому и проектному вариантов Капитальные затраты, экономическая эффективность, рентабельность, срок окупаемости

Техническая новизна установки для активации хлебопекарных дрожжей (рис.1) заключается в сочетании процессов измельчения прессованных дрожжей, эндогенного нагрева, аэрации и выгрузки дрожжевой муки в поточном режиме.

Установка содержит внутри экранирующего цилиндрического корпуса 7 сферическую резонаторную камеру СВЧ генератора, выполненную из двух полусфер 5, 10. Нижняя перфорированная вращающаяся полусфера 10 насажена на вал электродвигателя 9 поверх горизонтально расположенной лопастной мешалки 11. На крышке корпуса 4 установлен генераторный блок 1, излучатель 3 которого направлен

внутрь верхней полусферы 5, жестко закрепленной с внутренней стороны крышки 4. Через боковую поверхность корпуса 7 в верхнюю полусферу 5 вмонтирован волчок 6. На стыке боковой поверхности и нижнего основания корпуса имеется отверстие для выгрузного патрубка 8 (запредельного волновода). Верхняя полусфера 5 жестко закреплена с внутренней стороны крышки 4 корпуса 7 и по центру имеет отверстие, предназначенное для монтажа излучателя 3 с магнетроном 2.

Рисунок 1 - Схема установки для активации хлебопекарных дрожжей: 1 - СВЧ генераторный блок, 2 - магнетрон, 3 - излучатель, 4 - крышка экранирующего корпуса, 5 - половина сферической резонаторной камеры, 6 - волчок, 7 - цилиндрический экранирующий корпус, 8 - выгрузной патрубок, 9 - электроприводной модуль, 10 - перфорированная полусфера резонаторной камеры, 11 - лопастная мешалка, 12 - фототахометр ДТ-2234А, 13 -цифровой измеритель температуры Е5С1Ч, 14 - преобразователь частоты С1МЯ -для регулирования скорости вращения электродвигателя. Технологические параметры узлов: (/ - продолжительность нагрева измельченных дрожжей в процессе падения до нижней полусферы, с; - продолжительность эндогенного нагрева в резонаторной камере, с; ^ - продолжительность нагрева дрожжевой муки за счет краевого потока мощности в процессе перемешивания и выгрузки через патрубок; со;, а>2 — скорость вращения шнека волчка и нижней полусферы, соответственно, 1/с

Активация хлебопекарных дрожжей происходит следующим образом. Прессованные хлебопекарные дрожжи загружаются в волчок 6, измельчаются и в виде гранул попадают в сферическую резонаторную камеру 5, 10. За счет токов поляризации измельченное сырье эндогенно нагревается. Благодаря центробежной силе в процессе вращения нижней части перфорированной резонаторной камеры происходит тонкое измельчение гранул, которые просачиваются через перфорацию и попадают в корпус 7. Далее дрожжевая мука при помощи лопастей мешалки 11 перемещается к выгрузному патрубку 8 и выводится за пределы установки.

ш.. - - -Р

Рисунок 2 - Реальное исполнение перфорированной резонаторной камеры: а) верхняя полусфера; б) нижняя перфорированная полусфера

9

Известно, что добротность резонаторной камеры будет тем выше, чем меньше ее поверхность при заданном объеме. Такой конструкцией обладает сферическая ре-зонаторная камера, поэтому объемный резонатор выполнен из двух полусфер диаметром, равным целому числу полуволн (рис. 2).

Ниже приведена методика обоснования технологических параметров и режимов работы СВЧ установки, разработанная на основе известных формул, с учетом конфигурации резонаторной камеры (сферической перфорированной вращающейся камеры). Оценка поглощающей способности дрожжевых гранул и потери энергии за счет теплопередачи в окружающий воздух и теплового излучения показывает, что суммарные потери энергии намного меньше подводимой к образцу СВЧ энергии (рис. 3). Выявлена критическая напряженность электрического поля для измельченных дрожжей (8), позволяющая добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи и теплового излучения энергии (рис. 3). В среднем плотность мощности потерь за счет тейлопередачи и теплового излучения от гранул дрожжей при приращении температуры 25°С в соответствии с объемом

Напряженность электрического поля, В/см

Рисунок 3 - Зависимость поглощаемой удельной мощности и суммарной потери мощности от напряженности электрического поля при приращении температуры 25°С в гранулах дрожжей

|

Выравнивание значений поглощаемой мощности и суммарной мощности по- I терь с поверхности гранул дрожжей происходит при напряженности 300 В/см. Следовательно, при воздействии ЭМП СВЧ напряженностью до 300 В/см происходит активирование хлебопекарных дрожжей.

При исследовании критической напряженности электрического поля с учетом размеров микроорганизмов выясняется, что эффективный диапазон может находиться выше 300 В/см. В связи с тем, что потери энергии пропорциональны площади поверхности, а поглощаемая энергия пропорциональна объему, потери энергии за счет теплопередачи и теплового излучения микроорганизмов (объем микроорганизма 0,785Т0"12 см3), находящихся в электрическом поле СВЧ, значительно превышают поглощаемую энергию СВЧ.

С учетом изменения диэлектрических параметров ((§<5 = 0,192- е0,039т) и плотности сырья (р = 1081- е°'026т ) в процессе технологического воздействия в рабочей камере (т), динамика эндогенного нагрева дрожжевой муки описывается формулой:

ЛГ = -

Е • £■„ • £■ со-tgS 4-7Г

■т-rj

Е ■£„

■е-со-0,\92-eo,m'T

А-7Г

■т-т]

С.

р-с шы-е--------с (14)

На рис. 4 представлены графики изменения продолжительности нагрева (г, с) гранул дрожжей в зависимости от приращения температуры (АТ, °С) при разных значениях напряженности электрического поля (Е). Исследования показывают, что эффективные значения приращения температуры не должны превосходить 15...25°С, если начальная температура хлебопекарных дрожжей составляет 4...5°С. При более высоких температурах резко увеличивается вязкость дрожжей, что усложняет процесс центрифугирования, а самое главное4- происходит угнетение бродильных процессов.

- Ill 1 II 1 1 1 1 "Т 1 1.....Г 1 1 Г 1 1 V —я—Напряженность 300 В/см (Руд=1,62 Вт/куб.см) —4г— Напряженность 500 В/см (Руд=4,48 Вт/куб.см) —Напряженность 400 В/см (Руд=3,05 Вт/куб.см) 7 !

6 0

8 4S -

41 -

з; 1 R

гь 7 ? 21 5

13

1Г> 1S 90 95

Приращение температуры, "С

Рисунок 4 - Изменения продолжительности нагрева гранул дрожжей в зависимости от приращения температуры, при разных напряженностях электрического поля: 1 - 300 В/см; 2 - 400 В/см; 3 - 500 В/см

Общая продолжительность эндогенного нагрева г состоит из продолжительности нагрева измельченных гранул в процессе падения до основания нижней полусферы (г/), продолжительности нагрева в процессе центрифугирования (т2) и продолжительности нагрева дрожжевой муки в процессе перемешивания и выгрузки (т3). На основе дифференциального уравнения движения частиц массой (ш)

- = mg-k(—)" (15), вычисляем длину траектории падения измельченных

dTl

dr

гранул по формуле: D = --\n(ch \--т ), а далее продолжительность падения

Dk к \ m 1

III -j

тх=---arcch ■em (16)

k-g

где m - масса частицы сырья, кг; к - коэффициент сопротивления среды; D - диаметр сферической резонаторной камеры, м.

В третьем разделе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной контрольно-измерительной техники; описание разработанной и изготовленной лабораторной СВЧ установки для активирования хлебопекарных дрожжей (рис. 5). Источниками СВЧ энергии служат генераторы Яо^еп МБ 1770 МО, М\У-М 1700, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1,2 кВт. Центрифугирование осуществляется с помощью однофазного электродвигателя СиСЬ323050М мощностью 620 Вт, измельчение прессованных дрожжей - с помощью «Волчка» Гамма-7-01 мощностью 0,13 кВт, производительностью 40 кг/ч. Учет массы активированных дрожжей осуществляли с помощью электронных весов £N-405. Контроль мощности привода рабочей камеры осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности Б2436АВ, а частоту вращения - с помощью фототахометра ДТ-2234А. Измерение температуры в продукте проводили с помощью цифрового контролера ЕЗСЫ, где для фиксации значения температуры использовали термопару. Исследование картины распределения теплового потока по поверхности продукта осуществляли с помощью тепловизора РЫЯ В365. Объемную плотность измельченных дрожжей определяли весовым методом. Мощность потока электромагнитных излучений около СВЧ установки измеряли с помощью прибора ПЗ-ЗЗМ в испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике -Чувашии» (протокол № Ф-043-Д-2013 от 12.05.2013 г.). Оценку пищевой ценности

хлебопекарных дрожжей проводили в ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в ЧР», протокол № 1959 от 24.12.2012 г. Для изготовления лабораторного образца установки разработано её пространственное изображение (рис. 5), пользуясь программой КОМРАБ-ЗО У13.

Рисунок 5 - Пространственное изображение установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей: 1 - СВЧ генераторный блок, 2 — магнетрон, 3 - излучатель, 4 - крышка экранизирующего корпуса, 5 - половина сферической резона-торной камеры, 6 - волчок, 7 - цилиндрический экранизирующий корпус, 8 - выгрузной патрубок, 9 — электроприводной модуль, 10 - перфорированная полусфера резонаторной камеры, 11 - лопастная мешалка

В четвертом разделе «Результаты исследования процесса тепловой обработки хлебопекарных дрожжей» приведены: результаты исследования динамики эндогенного нагрева хлебопекарных дрожжей; оценка качества дрожжей и хлебобулочных изделий по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям; матрица активного планирования трехфакторного эксперимента для оптимизации энергетических затрат на тепловую обработку хлебопекарных дрожжей и режимов работы установки. Лабораторный образец установи для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей производительностью 25...30 кг/ч, позволяет выявить эффективные конструкционно-технологические параметры и режимы ее работы.

Экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева хлебопекарных дрожжей исходной температурой 8°С (рис. 6) показывают, что приращение

температуры 15...25°С в продукте при удельных мощностях генератора 5 Вт/г, 3,5 Вт/г, 1,0 Вт/г достигается за 15... 18 с, 20...25 с, 45...50 с соответственно.

Эмпирические зависимости температуры нагрева (°С) дрожжей от продолжительности эндогенного нагрева (т) при разной удельной мощности:

М=9,990 690(5,0 Вт/г), Д Т = 8,58°'63'(3,5 Вт/г), Д Т= 7,58°-024т (1,0 Вт/г). (17)

Рисунок 6 - Динамика нагрева хлебопекарных дрожжей при разной удельной мощности генератора: 1) 5 Вт/г; 2) 3,5 Вт/г; 3) 1,0 Вт/г

10 15 20 25

Продолжительность нагрева, с

Исследования показывают, что эффективное приращение температуры хлебопекарных дрожжей за счет эндогенного нагрева составляет 15...25°С при начальной температуре сырья 4...5°С. Такое приращение температуры в продукте достигается за 20...25 с воздействия ЭМП СВЧ, при удельной мощности 3,5 Вт/г. При этом за счет центрифугирования полусферы происходит выравнивание температуры продукта по объему, что важно для сохранения его мелкозернистой структуры при выгрузке через перфорацию. Конечный продукт - это аэрированная, эндогенно нагретая дрожжевая мука. Теоретически выявленное приращение температуры нагрева сырья 15...25°С (рис. 5) при объеме резонаторной камеры 7 литров и эффективной напряженности электрического поля равной 0,3 кВ/см с достаточно доверительной вероятностью согласуется с экспериментальным значением температуры нагрева дрожжей (рис. 6).

Исследованная зависимость продолжительности выгрузки измельченных дрожжей разной вязкости через перфорацию резонаторной камеры от частоты вращения привода позволяет корректировать продолжительность эндогенного нагрева хлебопекарных дрожжей. При частоте вращения привода полусферы 1500 об/мин, продолжительность выгрузки сырья массой 100...300 г. составляет 15...40 с. Эмпирическая зависимость продолжительности (г) выгрузки дрожжевой муки, вязкостью 1,56 м2/с, через перфорацию полусферы от частоты ее вращения (и)

= 398,44-е-0-002", с. (18)

На рис. 7 приведена динамика неравномерности распределения теплового потока по поверхности измельченных хлебопекарных дрожжей при воздействии ЭМИ в стационарном режиме и при центрифугировании, исследованная с помощью тепловизора РЫЛ В365. Исследования температурных полей показывают, что тепловая обработка продукта в процессе центрифугирования позволяет снизить неравномерность эндогенного нагрева с 16 до 3,5°С (рис. 7), то есть в 4...5 раз. Неравномерность распределения теплового потока по поверхности дрожжей описывается эмпирическими выражениями:

1) 7^-7™* = 0,751-е0'0474г, °С ; 2) Ттах-Тт1п = 0,237- е°'°б22г, "С. (19)

10 15 20

Продолжительность обработки, с

Рисунок 7 - Динамика неравномерности распределения теплового потока п поверхности дрожжей исследованная с помощью тепловизора FLIP В365 при удельной мощности 8 Вт/г: 1 - i стационарном режиме; 2 -при центрифугировании

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях моделей (рис. 8, 9). Л

z=-249JS^67,43386^t0,278566Y23i15eV>r0№]7968VYD.CiraHS3Vy

a ™f iFJf W f~ "-..''".аД^ "ГГ "li'T Рисунок 8 - Двумерные се-

чения в изолиниях трехфакторной модели производительности центрифуги в зависимости от частоты вращения и вязкости дрожжей при удельной мощности 4,8 Вт/г

Кйнеыатичссгая вялость, м^/с

■ 1 39.7058

■ <33.0063 Н< 39.6565

О < 26.3067 Ш< 22.957 Ш < 19.6072

■ < 16.2574 И < 12,9076

" в < 9.5579

Рисунок 9 - Двумерные сечения в изолиниях трехфакторной модели энергетических затрат на тепловую обработку дрожжей вязкостью 1,2 1СГб м2/с в зависимости от частоты вращения центрифуги и удельной мощности генератора

Эмпирические выражения, описывающие модели энергетических затрат (Ж), продолжительности эндогенного нагрева (т;), производительности СВЧ генератора (2Л продолжительности выгрузки продукта через перфорацию полусферы (т2), и производительности центрифуги (02), следующие:

¡V = 83,02-0,14-и +19,86- Руг> +60,36-10-6-«2+1,76- и2- 66,9-Ю"4- Руд -п, Вт-с/г,

т, = 12,5+5,46-Ю'18-« - 1,563- Руд -1,73-10"18-и2 -27,23-10"16- Руд2+ 213,18 -Ю-16- Руд-п, с;

а =892,19 -0,37-« - 246,03- Ру0 -85,29-Ю"6 и2+7,33 Руд +0,13- Руд •,п, кг/ч;

т2 = 577,4 + 20,6-и - 0,67-и + 41,4-и2 + 2,46-10"4-я2- 2,97-10"4-о-и, с;

02 = - 249,15+67,43-0 + 0,28-и - 23,2 и2 -79,6810"б-и2 - 0,000008-10"6-и-и, кг/ч, (20)

где V - кинематическая вязкость дрожжей, м2/с; и - частота вращения рабочей камеры, об/мин; Руд - удельная мощность СВЧ генератора, Вт/г.

В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике» проведена оценка пищевой ценности активированных хлебопекарных дрожжей опытного и контрольного образцов на основе органолептических, физико-химических и микробиологических показателей (протокол испытаний № 1959 от 24.12.2012 г.). Испытано 3 образца в 4-х кратной повторное™ (рис. 10): 1 - контрольный образец - дрожжи измельченные; 2 - опытный образец - измельченные аэрированные дрожжи, 3 - опытный образец - измельченные аэрированные дрожжи с воздействием ЭМП СВЧ.

Рисунок 10 - Структура дрожжевого сырья и готовая продукция (формовой хлеб из пшеничной муки первого сорта) опытного и контрольного образцов

через 20 мин.

через 30 мин.

через 45 мин.

Изменение структуры дрожжей в процессе прохождения через рабочую камеру _СВЧ установки_

исходные дрожжи

после измельчения

* во время

после активации

исходные дрожжи

после измельчения

аэрированные дрожжи

аэрированные с воздействием ЭМПСВЧ

Расстойка теста с использованием дрожжей опытного и контрольного образцов

Готовые хлебобулочные изделия

формованный хлеб в начальный период

Структура теста замешанного с использованием дрожжей стьтюгоиконтрольного образцов

При этом нагрев измельченных хлебопекарных дрожжей проводили в СВЧ установке удельной мощностью 5 Вт/г, в течении 18. ..20 с до приращения температуры 25°С. Результаты исследования физико-химических показателей образцов приведены в табл. 2. Оценку качества органолептических показателей хлебобулочных изделий проводили по 30-балльной шкале по ГОСТ Р 53072-2008. Из результатов исследований (табл. 2) следует, что органолептические показатели третьего образца лучше контрольного на 11 баллов. Объем и пористость хлеба третьего образца превышает контрольный на 28...30 %.

Таблица 2 — Результаты исследований физико-химических показателей дрожжей и органолептических показателей хлебобулочных изделий_

Показатели качества Образцы

112 13

Физико-химические показатели хлебопекарных дрожжей

Влажность, % ч 72,5 72,3 72,1

Подъемная сила (подъем теста до 70 мм), мин 32 35 38,5

Кислотность, мг на 100 г дрожжей 61 73 100

Уровень качества хлебобулочных изделий, баллы

Вкус и запах 10 11 15

Состояние мякиша 4 5 6

Поверхность 4 5 6

Форма 1 2 3

Всего баллов 19 25 30

В испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии» проводили контроль мощности потока излучений от СВЧ установки для активирования хлебопекарных дрожжей (протокол № Ф-043-Д-2013 от 12.05.2013 г.). Анализированы графики изменения мощности потока СВЧ энергии (Р) в зависимости от расстояния до источника (х, см), а также зависимость

Рисунок 11 - СВЧ установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей: а) общий вид; б) дрожжевая мука в перфорированной полусфере в процессе центрифугирования

Техническая характеристика СВЧ установки (рис. 11) для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей приведена в табл. 3. Таблица 3 - Техническая характеристика установки

Производительность, кг/ч

25...30

Мощность измельчителя, кВт

Мощность привода центрифуги, кВт

Частота вращения привода центрифуги (нижней полусферы), об/мин_

1460... 1500

Потребляемая мощность СВЧ генератора, кВт

Потребляемая мощность установки, кВт

Удельные энергетические затраты, кВт-ч/кг

Габариты, мм

0,065... 0,078

800x700x1000

допустимого уровня мощности Рдоп потока излучений от продолжительности работы персонала (т, ч). Эмпирические выражения, описывающие эти зависимости следующие: Р = 130,72х0,шз мкВт/см2, Рдоп = 151,79е°Л914\мкВт/см2 (21) Мощность потока СВЧ энергии на расстоянии 0,2... 1,6 м от установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей составляет 100...48 мкВт/см2. Данную установку по безопасной норме СВЧ излучения можно обслуживать на расстоянии 1... 1,2 м в течение 4 часов.

В пятом разделе «Экономическая оценка результатов исследований» представлено экономическое обоснование результатов исследований. Годовой экономический эффект от применения СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей производительностью 30 кг/ч составляет 189 тыс. руб. при объеме выпускаемой продукции свыше 27 тонн. При этом рентабельность повысится на 3,26 %, срок окупаемости составит 0,56 года.

А А

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ

1. Анализ эффективности процесса активирования хлебопекарных дрожжей существующими способами и техническими средствами позволил раскрыть резервы и наметить направления совершенствования конструкций и способов активирования бродильных процессов. Изучены физико-механические, теплофизические и диэлектрические характеристики дрожжей в зависимости от частоты электромагнитного поля и температуры нагрева, позволившие оценить возможность активирования хлебопекарных дрожжей в виде измельченных гранул размерами, соизмеримыми глубиной проникновения ЭМИ равной 1,15 см.

2. Разработана методика обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей. Исследованы основные закономерности эндогенного нагрева дрожжей с учетом изменения их диэлектрических и физико-механических параметров в процессе технологического воздействия, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки. Определена критическая напряженность электрического поля 300 В/см, при которой потери мощности за счет теплопередачи гранулами дрожжей и их излучения равна мощности потерь СВЧ энергии при приращении температуры 15...25°С. Согласованы значения эффективной напряженности электрического поля 250...300 В/см с объемом резонаторной камеры 7 л и максимальной добротностью, которая достигается при ее сферическом исполнении. Установлено, что поток ЭМИ отражается от поверхности резонаторной камеры и максимально концентрируется в сырье, если она выполнена в виде сферы, а излучатель расположен на вершине полусферы. Предложено математическое описание процесса движения зернистого материала через перфорацию сферической резонаторной камеры СВЧ генератора с учетом ее диаметра и скорости вращения, диаметра перфорации, вязкости дрожжей, позволяющее согласовать продолжительность выгрузки сырья из рабочей камеры с продолжительностью эндогенного нагрева.

3. Разработана методика технологического воздействия на хлебопекарные дрожжи энергией электромагнитных излучений СВЧ диапазона, реализованная в установке со сферической перфорированной резонаторной камерой, вращающейся с частотой 1460... 1500 об/мин от привода мощностью 0,62 кВт, расположенной в экранирующем корпусе, содержащем измельчитель и выгрузной патрубок. Установ-

лено, что эффективный поточный режим работы СВЧ установки достигается при производительности 25...30 кг/ч, удельной мощности 3,5...5 Вт/г и продолжительности воздействия 30...50 с.

4. Установлено, что эндогенный нагрев измельченных дрожжей улучшает потребительские свойства, сохраняет пищевую и энергетическую ценность. Органолепти-ческие показатели активированных дрожжей, оцененные по 30-балльной системе, на 11 баллов выше по сравнению с контрольным образцом, их подъемная сила выше на 17%; пористость и объем формового хлеба опытного образца превышает контрольный на 28...30 %.

5. В результате апробации в производственных условиях СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей выявлено улучшение качества хлебобулочных изделий, снижение удельных энергетических затрат с 0,088 до 0,071 кВт-ч/кг. Экономический эффект от применения установки в сельской хлебопекарне составляет 189 тыс. руб./год. 4

6. Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработать и обосновать конструктивно-технологические параметры СВЧ активатора для предприятий средней мощности с использованием технических средств автоматики, позволяющих контролировать и управлять технологическим процессом тепловой обработки хлебопекарных дрожжей.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- публикации в изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Лукина, Д. В. Сверхвысокочастотный активатор дрожжей / Д. В. Лукина, Г. В. Новикова // Вестник ФГЪОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2012, № 2 (74). - С. 101... 104.

2. Лукина, Д. В. Исследование распределения теплового потока по объему хлебопекарных дрожжей при эндогенном нагреве / Д. В. Лукина, М. В. Белова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2012, № 4 (76). - С. 102... 105.

3. Лукина, Д. В. Установка для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей / Д. В. Лукина, М. В. Белова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2012, № 4 (76).-С. 105... 108.

4. Лукина, Д. В. Экономическая эффективность применения сверхвысокочастотной установки для теплового воздействия на прессованные дрожжи/ Д. В. Лукина // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2013, № 2 (78). - С. 76.. .79.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференции:

5. Лукина, Д. В. Установка для активирования дрожжей в сельских хлебопекарнях / Д. В. Лукина, О. В. Михайлова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства», посвященной 50-летию инженерного факультета ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - С. 142... 144.

6. Лукина, Д. В. Размораживание замороженных тестовых полуфабрикатов СВЧ-энергией / Д. В. Лукина, О. В. Лукина // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии

производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 14.-Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2011. - С. 180... 181.

7. Лукина, Д. В. СВЧ - активатор дрожжей для повышения качества хлеба / Д. В. Лукина, Г. В. Новикова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 14. - Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2012. - С. 145...146.

8. Лукина, Д. В. Влияние СВЧ энергии на прессованные дрожжи / Д. В. Лукина, Г.

B. Новикова //Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Казанского ГАУ «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства». - Казань: Казанский ГАУ, 2012.-С. 124... 127.

9. Лукина, Д. В. Активатор дрожжей для сельских хлебопекарен / Д. В. Лукина, Г. В. Новикова //Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». - Чебоксары: ЧГСХА, 2012. -С. 224...227.

10. Лукина, Д.В. Алгоритм согласования параметров и режимов работы СВЧ-активатора хлебопекарных дрожжей / Д. В. Лукина, Г. В. Новикова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» Выпуск 15.-Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2013.-С. 121...123.

11. Лукина, Д.В. Установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей/ Д.В. Лукина// Материалы VIII республиканского конкурса инновационных проектов по программе «УМНИК - 2013». - Чебоксары, Чебоксарский политехнический институт (филиал МГОУ), 2013.-С.107...108.

12. Лукина, Д.В. СВЧ установка для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей/ Д.В. Лукина, Г.В. Новикова // Сборник научных трудов международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Знания молодых: наука, практика и инновации». - Киров: Вятская ГСХА, 2013, Ч. 2 -

C. 34...36.

Подписан в печать 16. 05. 2013 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Полиграфический отдел, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27-36.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

04201360032

ЛУКИНА Дарья Владимировна

Разработка и обоснование параметров СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей в сельских хлебопекарнях

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д. т. н., профессор Г.В. Новикова

Чебоксары -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

1.1. Анализ ресурсов и объемов производства хлебопекарных 11 дрожжей

1.2. Свойства и параметры прессованных хлебопекарных дрожжей 17

1.3. Анализ способов и технических средств, предназначенных для 22 активации хлебопекарных дрожжей

1.4. Выводы по главе. Цель и задачи исследования 28

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ХЛЕБО- 3О ПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ

2.1. Методика обоснования конструктивно-технологических пара- 30 метров и режимов работы установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

2.2. Обоснование напряженности электрического поля в сфериче- 36 ской резонаторе СВЧ генератора, позволяющая активировать процессы брожения хлебопекарных дрожжей

2.3. Обоснование конфигурации резонаторной камеры установки 55 для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

2.4. Согласование продолжительности воздействия ЭМП СВЧ с 60 частотой вращения резонаторной камеры

2.5. Выводы по главе 73

3. МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 77 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа экспериментальных исследований 77

3.2. Частные методики исследования и контрольно-измерительная 80 техника

3.3 Разработанная установка для тепловой обработки хлебопекар- 82 ных дрожжей

3.4. Выводы по главе 89

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ 92 ОБРАБОТКИ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ

4.1. Исследование динамики нагрева хлебопекарных дрожжей 92

4.2. Определение эффективных технологических параметров 96 установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

4.3. Оценка пищевой ценности хлебопекарных дрожжей 105

4.4. Принципиальная электрическая схема управления установкой 112 для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

4.5. Выводы по главе 115

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 118 СВЧ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДРОЖЖЕЙ В СЕЛЬСКИХ ХЛЕБОПЕКАРНЯХ

5.1. Экономические показатели применения установки 118 для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей

5.2. Техника безопасности при эксплуатации СВЧ установок для 124 тепловой обработки хлебопекарных дрожжей

Результаты исследований и общие выводы 126

ЛИТЕРАТУРА 128

ПРИЛОЖЕНИЯ 135

Приложение А. Акты (справки) об использовании (внедрении) на- ^^ учно-исследовательской работы в учебном процессе Приложение Б. Акт апробирования научно-исследовательской работы в производственных условиях

Приложение В. Протокол измерений электромагнитных излучений 141 около установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей Приложение Г. Протокол экспертной оценки качества активиро- 143 ванных хлебопекарных дрожжей

Приложение Д. Документы о регистрации заявок на изобретения 145 Приложение Е. Матрицы планирования экспериментов и расчет- 157 ные коэффициенты для построения поверхностей отклика и двухмерных сечений моделей

Приложение Ж. Материалы промежуточных расчетов 164

Приложение 3. Узлы установки для тепловой обработки хлебопе- 173 карных дрожжей в процессе его изготовления

Приложение И. Дипломы 175

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. По результатам 2011 года объем рынка дрожжей в РФ составил 90000 тонн, а по Чувашской Республике в пределах 787 тонн. Главным недостатком прессованных дрожжей является малый срок их хранения (12 суток со дня выработки), при котором клетки автолизируются и гибнут. В процессе хранения хлебопекарных дрожжей при температуре 2...4°С их бродильные свойства снижаются, что отрицательно влияет на конечный продукт.

Динамическое развитие рынка хлебопекарных дрожжей диктует новые тенденции в развитии дрожжевой отрасли, как в республике, так и за ее пределами. К тому же в последние годы хлебопекарные предприятия предъявляют повышенные требования к качеству дрожжей, а именно к бродильной активности и сохранению ее в течение срока, указанного в технических условиях. Эти требования вызваны как более широким использованием ускоренных технологий приготовления теста, так и экономическими соображениями - возможностью сокращения нормы дрожжей, обладающих повышенной бродильной активностью, а следовательно - снижением себестоимости продукции.

В России достаточно большой объем хлебобулочных изделий производится в сельских хлебопекарнях. В условиях рыночной экономики при низких ценах на сырье и росте цен на энергоносители фермеры вынуждены перерабатывать зерно и реализовывать продукцию в виде хлебобулочных изделий. Но при этом фермеры не имеют возможности эффективного хранения ингредиентов теста, в том числе хлебопекарных дрожжей. Существующие технологии производства дрожжей предусматривающие применение агрегатов требуют больших капитальных вложений, недоступных фермерам, кроме того высокие эксплуатационные затраты делают такую технологию не рентабельной.

В связи с этим поиск энергосберегающей те хнологии, обеспечивающей улучшение качества хлебобулочных изделий, актуален. В ходе предварительных исследований было установлено, что электромагнитное излучение СВЧ диапазона способно влиять на изменение активности дрожжей, как повышать

ее, так и деактивировать. Поэтому нами разрабатывается установка для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей с использованием эндогенного нагрева.

Известен способ активации хлебопекарных дрожжей (патент 2184145 от 27.06.2002г.) [80]. Способ состоит в приготовлении мучной суспензии, ультразвуковой обработке этой суспензии при постоянном перемешивании и последующем внесении в нее дрожжей и их адаптации. Однако известно, что ка-витационная эрозия является фактором, приводящим к летальному исходу микроорганизмов с размерами дрожжевых клеток.

Перечисленные выше факторы позволяют считать данную тему своевременной как для практики, так и для науки. Поэтому разработка и обоснование параметров установки технологического воздействия на дрожжи в сельских хлебопекарнях с использованием маломощных СВЧ генераторов для тепловой обработки дрожжей, позволяющей активировать бродильные процессы, снизить потери продукции, является актуальной научной задачей.

Уровень разработанности темы. Известно, что электромагнитное излучение СВЧ диапазона способно влиять на изменение активности дрожжей, как повышать ее, так и деактивировать в зависимости от величины напряженности электрического поля, поэтому следует выявить критическую напряженность. Отсутствуют также технические устройства, обеспечивающие за счет диэлектрического нагрева активацию бродильных процессов хлебопекарных дрожжей в поточном режиме.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование параметров СВЧ установки для теплового воздействия на дрожжи, обеспечивающей активацию бродильных процессов и улучшение качества хлебобулочных изделий.

Основные научные задачи: - разработать методику технологического воздействия электромагнитным полем СВЧ на хлебопекарные дрожжи для активации бродильных процессов;

- разработать методику обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- выявить эффективные режимы работы СВЧ установки для тепловой обработки дрожжей, обеспечивающие активацию бродильных процессов и улучшение качества хлебобулочных изделий;

- разработать и апробировать в производственных условиях СВЧ установку для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей с оценкой их органолептических и физико-химических показателей;

- оценить экономический эффект от применения СВЧ установки для тепловой обработки дрожжей в сельских хлебопекарнях.

Концепция. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева диэлектриков, с учетом теории электроники сверхвысоких частот решить научно-техническую задачу - разработка установки, обеспечивающей эффективные теплообменные процессы, активирующие жизнедеятельность дрожжевых микроорганизмов за счет воздействия электрического поля СВЧ диапазона определенной напряженности.

Объектом исследования являются: СВЧ установка и процесс технологического воздействия на хлебопекарные дрожжи для активации бродильных процессов; дрожжи и хлебобулочные изделия.

Предмет исследования - выявление закономерностей процесса тепловой обработки хлебопекарных дрожжей в непрерывном режиме во вращающейся сферической перфорированной резонаторной камере СВЧ генератора.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с частными методиками. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного экспери-

мента. Параметры установки измеряли с помощью современных цифровых приборов, а структуру сырья и качество готового продукта оценивали через ор-ганолептические, физико-химические показатели по методикам, рекомендованными соответствующими стандартами.

Достоверность проведенных исследований не противоречит фундаментальным основам теоретической электротехники, теоретическим основам термодинамики. Достоверность результатов исследований подтверждается хорошей сходимостью теоретических значений с результатами лабораторных и производственных экспериментов, использованием стандартных методов обработки данных, а также испытанием установки в сельской хлебопекарне.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические зависимости, позволяющие обосновать параметры рабочего органа СВЧ установки, обеспечивающей активирование хлебопекарных дрожжей в процессе тепловой обработки в сферической перфорированной ре-зонаторной камере и центрифугирования;

- методика обоснования конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- закономерности влияния режимов работы установки на динамику эндогенного нагрева дрожжей с учетом изменения их диэлектрических и физико-механических параметров в процессе технологического воздействия;

- разработанная установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа, в виде вращающейся сферической перфорированной резонатор-ной камеры, расположенной в экранирующем корпусе, обеспечивающая тепловую обработку хлебопекарных дрожжей в процессе центрифугирования (заявки на изобретение №2012100555 от 10.01.2012 г. и № 2012154676 от 17.12. 2012 г).

- рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих активирование дрожжей, улучшающих качество хлебобулочных изделий, оцененных по органолептическим, физико-химическим показателям.

Практическую значимость представляют: изготовленная и апробированная в производственных условиях СВЧ установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей, позволяющая активировать бродильные процессы, а следовательно, улучшить качество хлебобулочных изделий; выводы, полученные по результатам исследования.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА. Исследование процесса активирования процессов хлебопекарных дрожжей осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственное проверка СВЧ установки - в ООО «Моргауши-Хлеб» Моргаушского района ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: - на всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2010.. .2013 г.г.);

- на международных научно-практических конференциях «Актуальность вопроса совершенствования технологии производства и переработки продукции с. - х.» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011, 2012 г.г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 25.04.2012 г., 24.04.2013 г.).

Установка демонстрировалась на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (04.10.2012 г.), а также на форуме, посвященном Дню работника сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности при участии главы аграрного ведомства России (20.10.2012 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты исследований соискателя удостоены:

1) гранта молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК - 2013 г., г. Чебоксары);

2) дипломов за активное участие:

- во всероссийской научно-практической конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов: «Вклад молодых ученых в будущее Чувашии», «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», «Аграрная наука - основа успешного развития АПК» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2010... 2013 г.г.);

- на международной научно-практической конференциях «Актуальность вопроса совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011.. .2013 г.г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012...2013 г.г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 научных работах, в том числе 4 - из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 128 наименований и приложений. Работа изложена на 185 страницах, содержит 61 рисунок и 28 таблиц.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

по специальности 05.20.02:

- математические зависимости и методика, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей;

- разработанная и апробированная в производственных условиях СВЧ установка для тепловой обработки хлебопекарных дрожжей, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде вращающейся сферической перфорированной резонаторной камеры, расположенной в цилиндрическом экрани-

рующем корпусе, содержащем загрузочный измельчитель и выгрузной патрубок;

- рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающей активирование дрожжей для улучшения качества хлебобулочных изделий.

по специальности 05.18.12:

- разработанный технологический процесс тепловой обработки хлебопекарных дрожжей во вращающейся сферической перфорированной резонаторной камере СВЧ генератора;

- экспериментальная оценка рациональных режимов тепловой обработки хлебопекарных дрожжей и их влияние на качество хлебобулочных изделий.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАИЯ 1.1 Анализ ресурсов и объемов производства хлебопекарных дрожжей

По результатам 2011 года объем рынка дрожжей в РФ составил 90000 тонн, а по Чувашской Республике в пределах 787 тонн [1, 14]. В процессе хранения хлебопекарных дрожжей (12 суток при температуре 2...4°С) их бродильные свойства снижаются, что отрицательно влияет на конечный продукт. В связи с этим поиск энергосберегающих технологий, обеспечивающих улучшение качества хлебобулочных изделий, актуален. Поэтому нами разрабатывается установка для активации бродильных процессов хлебопекарных дрожжей с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) [20, 30].

Таблица 1.1- Экспорт хлебопекарных дрожжей Россией в страны

ми раза2011 г [1, 14].

Страна Объем, т. Страна Объем, т.

Азербайджан 18048 Норвегия 269

Армения 38200 США 419

Ирак 19900 Таджикистан 3343

Казахстан 13424 Узбекистан