автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка процесса криогенной подготовки пряностей к измельчению

На правах рукописи

КОСОВА Наталья Викторовна

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА КРИОГЕННОЙ ПОДГОТОВКИ ПРЯНОСТЕЙ К ИЗМЕЛЬЧЕНИЮ

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 к:он 2014

Майкоп 2014

005550079

Работа выполнена в ФГКОУ НПО «Майкопский государственный технологический университет»

II ау ч п ы и р у к о н о д и г сль-

Мерпуков Заур Айдамирович доктор технических наук, доцент кафедры технологии, машин и оборудования пищевых производств ФПЮУ ВПО «Майкопский государственный тсхнологичес-кий университет»

О ф и ц и а л I» п 1.1 с о п п о и с н т ы :

Шлшшнков Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор, заведующий отделом технологии переработки Инсппута сельского хозяйства Крыма

Воронепко Норух Лвсесвич

доктор технических наук, профессор кафедры техники мясных и молочных производств ФПЮУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)»,

Ведущая организация- ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Защита состоится 8 июля 2014 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 ФПЮУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФПЮУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Автореферат диссертации разослан б нюня 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент Филснкова М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальной задачей на современном этапе развития страны, характеризуемом наличием в стране значительной части населения с отклонениями в здоровье и снижением продолжительности жизни, является обеспечение здоровья населения за счет питания пищевыми продуктами высокого качества. Решение этой задачи возможно путем разработки новой техники и технологии производства высококачественных пищевых продуктов.

Применение пряностей в пищевых продуктах - давняя традиция и обязательное условие обеспечения их высокого качества. Основной целью измельчения пряностей является достижение уменьшения размеров частиц при хорошем качестве продукта в плане сохранения вкусовых качеств и цвета. Пряности находят применение как непосредственно в измельченном виде, так и в виде экстрактов, для получения которых операция измельчения является обязательной.

Предварительное охлаждение пряностей и постоянно поддерживаемая в измельчителе низкая температура снижают уровень потерь летучих масел и влаги, тем самым сохраняя большую часть ароматических веществ, приходящихся на единицу массы продукта. Потери летучих масел могут быть заметно снижены методом низкотемпературного (криогенного) измельчения пряностей, предварительно обработанных жидким азотом. При этом возможно получение твердо-хрупкого состояния материала, а также поддержание требуемого низкотемпературного уровня за счёт поглощения вырабатываемого в процессе измельчения тепла, что благоприятно для энергосбережения при измельчении. Испарение жидкого азота до газообразного состояния фактически создаёт инертную и сухую атмосферу для дополнительной защиты качества продукта.

В данной работе предпринят комплексный анализ системы процессов криогенной обработки пряностей и последующего их измельчения. На этой основе разрабатывается процесс и конструируется устройство для низкотемпературного (криогенного) измельчения. Основными элементами такого устройства являются предварительный охладитель и измельчитель.

Диссертационная работа выполнена в Майкопском государственном технологическом университете в рамках инициативной науч-

но-исследовательской темы Майкопского государственного технологического университета «Совершенствование технологических приемов производства продуктов переработки сельскохозяйственного сырья» (№ гос. регистрации 01201062580).

Цель работы - разработать процесс криогенной подготовки пряностей к измельчению и на этой основе предложить конструкцию установки для измельчения пряностей.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи:

— в связи с отсутствием оборудования для низкотемпературного (криогенного) измельчения с поддержанием низкой температуры в рабочей зоне целесообразно разработать процесс и сконструировать устройство для осуществления данного процесса;

— определить теоретическую основу и методику экспериментального исследования свойств частиц пряностей как объекта измельчения;

— определить характеристики деформационного поведения и прочностные свойства частиц пряностей и сравнить результаты без и с криообработкой;

— поставить и решить задачи теплопереноса в твердой фазе и разработать методику идентификации тсплофизических свойств частиц пряностей при криогенной обработке;

— экспериментально исследовать процесс криогенной обработки пряностей и определить теплофизические свойства частиц пряностей при криогенной обработке;

— обосновать конструкцию аппарата для криогенной подготовки пряностей к измельчению;

— разработать и предложить конструкцию измельчителя для пряностей, прошедших криогенную подготовку.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: дано математическое описание процесса замораживания частиц пряностей при криогенной обработке жидким азотом; разработана методика и проведена идентификация параметров теплофизических свойств пряностей при замораживании; представлено кинетическое уравнение передачи тепла с подвижной границей с использованием функции Хевисайда от координаты и времени; получен комплекс данных по коэффициенту пропорциональности, характеризующему

скорость движения границы, и коэффициентам температуропроводности плодов перца черного горького обеих зон при криобработке; установлены прочностные свойства плодов перца черного и отмечено существенное снижение характеристик прочности перца в результате криобработки.

Практическая значимость работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать научно обоснованный процесс криогенной подготовки пряностей к измельчению.

Результаты практической разработки и создание экспериментальной установки для криогенной подготовки и измельчения пряностей (заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418) признаны высокоэффективными и приняты Межрегиональным научно-производственным центром «Экстракт-Продукт» для совместной работы по практической реализации на предприятии ООО «Компания Караван» и предприятиях-заказчиках.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных и научно-практических конференциях: XV международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», Барнаул, 2014; Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки», Уфа, 2014; Международной заочной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы», Москва, 2014; Международной заочной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования», Тамбов, 2014.

Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России. Подана заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 114 страницах, содержит 27 рисунков и 8 таблиц. Список использованных источников включает 127 на-

именований на русском и иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы и сформулировано направление исследований.

Глава 1. Литературный обзор.

В главе проанализировано состояние и развитие основных способов измельчения твердых материалов, процесса измельчения твердых материалов и машин для измельчения. Рассмотрены состояние науки и техники криогенной обработки растительных материалов. Среди рассматриваемых вопросов: теория и моделирование процесса криогенной обработки; теплофизические свойства пищевых материалов; способы криогенной обработки.

На основании обзора и анализа работ сделаны следующие выводы:

- Применение в пищевых продуктах пряностей в измельченном виде широко распространено как в промышленном масштабе (например, в мясной и рыбной промышленности), так и в общественном питании, и непосредственно в домашних условиях. Характерной пряностью является перец черный, который в измельченном виде находит широкое применение.

- Потери летучего масла могут быть заметно снижены методом низкотемпературного (криогенного) измельчения.

- Математическое описание процесса криогенной обработки материалов представляет сложную ситуацию теплопередачи с одновременными фазовыми изменениями (проблема Стефана) и переменными тепловыми свойствами и, иногда, с необходимостью учитывать проблемы анизотропии из-за состава материала.

- Аналитический подход при получении математического описания процесса криогенной обработки может быть подразделен натри категории: точные решения замкнутой формы, приблизительные решения замкнутой формы и численные решения.

- Измельчение является одной из основных операций переработки твердофазных материалов в пищевой технологии, создавая высококачественные пищевые продукты, обеспечивая высокие скорости

процессов их обработки за счет увеличения удельной площади поверхности частиц или обеспечения доступа к содержащимся внутри частиц ценным веществам.

- Оборудование для измельчения является одним из наиболее энергоемких и металлоемких, что предопределяет большое разнообразие конструкций измельчителей, которые постоянно совершенствуются и создаются для перерабатываемых материалов, отличающихся по своим свойствам.

— Механизм процесса измельчения сложный, и в настоящее время отсутствует общая теория, учитывающая свойства измельчаемого продукта, способы ведения процесса и конструкцию оборудования.

Вышеупомянутые выводы послужили основой для определения цели работы, а также постановки задач.

По результатам анализа научно-технической литературы и патентной информации определены цель и задачи исследования, а также обоснована структурная схема исследования (рисунок 1).

Состояние науки и техники криогенной обработки растительных материалов и развитие основных способов измельчения твердых _материалов_

Исследование свойств плодов перца черного горького как объекта измельчения

У у J ч N.

Тгоретич еси1? основы определения прочностных свойств Методика не с л ел ов он кя прочностных свойств Результаты опред еле нкя х*рлкг«рнствх рагрушекмя плодов и ери а черного горького Сравнение результатов о пред ел е кия характеристик рА1рушених плодов перча черного ёем и с кр нообр л богкой М одепкро ВЛ H>lí те ьотер я тур ни х эффектов ггри №1м« льтемпи члегки пряностей

Разработка процесса криогенной обработки растительных материалов

М од с лнро елки? процесса движения фронт л замор.гмпднш растительных материалов при крм от емкой обработке Теплообмен при XpUDITKHOÍi обработке пряностей

Обоснование технического предложения по установке измельчения пряностей с предварительной криогенной обработкой

Мод^тромня« теплообмена в аппарате криогенной обработки " i - АкЯЛИ! конструкцией клллрптя криогенного ктьсегтьпення пряностей

Разработка технического решения по установке криогенного _измельчения пряностей

Рис. 1. Структурная схема исследования

Глава 2. Исследование свойств плодов перца черного горького как объекта измельчения.

Теоретической основой изучения прочностных свойств плодов перца явилась модель Герца для сжатия сферической частицы между плоскими поверхностями - пуансоном и основанием.

Установка для снятия диаграммы сжатия состояла из разрушающего устройства, которое представляет собой подвижный пуансон и неподвижную матрицу, установленные на подвижной каретке, которая перемещалась с постоянной скоростью при помощи винта от электродвигателя через редуктор и ременную передачу. Величина нагружаемого груза (сила веса) и соответствующая деформация единичных плодов перца фиксировались.

На рисунке 2 представлены экспериментальные средние результаты диаграммы нагружения сводные для плодов перца черного, не подвергшихся замораживанию, и для криообработанных. Отмечается наличие двух участков на диаграммах - начальный участок -участок упругих деформаций и второй - участок упруго-пластичных деформаций вплоть до разрушения.

400 375 350 325 300 275 250 225 5 200 175 150 125 100 75 50 25 О

О 0.92 1.83 2.75 3.67 4.58 5.5 S*10"4M

Рис. 2. Диаграммы погружения для плодов перца черного, не подвергшихся замораживанию, и для криообработанных

Область пластичной деформации не наступает. Участок упругой деформации может быть описан степенной зависимостью вида:

FrA-s»\ (1)

где F - усилие нагружения, Н; s - абсолютная деформация, м; А1 — коэффициент пропорциональности.

Участок упруго-пластичной деформации может быть описан линейной зависимостью вида:

Р2=А-з+В, (2)

где А2 и В - коэффициенты данной зависимости.

Из рисунка 2 видно, что криогенная обработка существенно изменяет прочностные свойства перца черного, и сравнительные результаты представлены в таблице 1.

Работа разрушения криообработанных плодов перца черного горького меньше на 93% относительно работы разрушения плодов перца черного горького, не подвергавшихся обработке.

При измельчении пряного растительного сырья уменьшается размер частиц и увеличивается их площадь поверхности, что обеспечивает доступность ценных компонентов, таких как эфирное масло с ароматическими веществами, которые содержатся в клеточной структуре материала.

Таблица 1

Показатели прочностных характеристик плодов перца черного горького

Параметр Единицы измерения Криобработан-ные плоды перца черного горького Обычные плоды перца черного горького

Эффективный модуль упругости, Е* Па 3.693x107 2.242x109

Модуль упругости, Е, Па 1.702х107 1.033x10"

Нормальная жесткость контакта, к„е1 Па*м 2.03x104 7.293x10'

Модуль сдвига, б, Па 6.647хЮ6 4.036x10"

Напряжение, рг Па*м 3.454х103 7.338хЮ<

Жесткость упругопластич-ной деформации в точке перехода, к„г,_ы Н 7.516 94.458

Средняя работа разрушения Дж 0,005957 0,08789

Энергоемкий процесс измельчения сопровождается нагревом измельчаемого материала, что в случае вскрытых клеток пряного материала ведет к потере ценных летучих компонентов. Необходимо оценить влияние преобразования энергии при измельчении в температурные эффекты.

Температурный эффект в процессе измельчения вызван преобразованием кинетической энергии и работой трения в зоне измельчения. Часть эффекта связана с преобразованием энергии в процессе размола частиц, который зависит от их начального размера, формы и прочности.

Приводимые экспериментальные данные относятся к измельчению на лабораторной молотковой мельнице перца черного, которое проводилось при температуре окружающей среды с различной подачей материала в мельницу. На рисунке 3 представлены данные по изменению температуры при измельчении перца черного в молотковой дробилке при различной подаче материала.

Обработка экспериментальных данных позволила получить уравнения для измельчения с различной подачей материала:

(3 5(г) = 75.95- 49.43 -ехр(- 0.00317- т) . (3)

(5 (г) = 50.39-19.45 -ехр(- 0.0035- т) . (4)

^7.25(г) = 41.49 —12.20-ехр(—0.0046-г) . (5)

кз = 34.17- 7.65 • ехр (- 0.00608 • г). (6)

Для описания кинетики нагрева измельчаемого материала рассмотрим процесс как нестационарный безградиентный нагрев. Соответственно зависимость измельчаемого материала О к моменту времени г составит:

0 = ?-(;-0о)-ехр

аРт &тст у

(7)

где / - температура среды в зоне измельчения; Эд - начальная температура материала; аР - пропускная способность конвективному поверхностному переносу теплоты; От - масса материала в зоне измельчения; ст - приведенная теплоемкость материала и деталей измельчителя.

65

О о

£ 55 Г

а,

Ё 45 £

35

25

1 —Л ч= 3.5

■ь

/ 2 . 4=5

[—

,30' ГО—в" -в—1 14-7.25 5

Л—п- ■ и г

■е—а -о— 'а

О

100

200

300

700

800 900 1000

400 500 600 Время, сек.

Рис. 3. Кривые нагрева при измельчении перца черного в молотковой дробилке при различной подаче материала (1-4= 3,5 кг/ч; 2 -ц = 5 кг/ч; 3-д = 7,25 кг/ч; 4 -(¡ = 9,5 кг/ч)

Результаты идентификации параметров модели безградиентного нагрева по экспериментальным данным представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты идентификации параметров модели безградиентного нагрева по экспериментальным данным

Наименование Подача материала q, кг/час

параметров 3,5 5 7,25 9,5

75,95 50,41 41,49 34,37

°с 26,52 30,94 29,30 26,52

ар, Вт/°С 21,62 22,74 24,70 26,83

Си, кг 1,455 1,420 1,420 1,420

ст, Дж/кг °С 4702 4589 4422 4261

Механизм изменения температуры измельчаемого материала включает преобразование кинетической энергии и выделение тепла при трении частиц в зоне измельчения. Так как измельчение проводилось на молотковой мельнице с одним и тем же объемом измельчения, в зависимости от подачи материала изменялось время измельчения. При этом с увеличением подачи время измельчения уменьшалось, и соответственно уменьшалась температура.

На рисунке 4 представлены зависимости изменения температуры в зоне измельчения и размера измельченных частиц от времени измельчения. Видно, что температура в зоне измельчения растет линейно со временем пребывания, а размер частиц уменьшается.

я

с.

>->

ь я о.

о*

с

80 70 60 50 40 30 20 10

У : 0,043х ■ Я2 = О.Е ■ 9.5266 813 •

Ж \

\ --

--

\ ■ --

у = 6334. Я2 = 0 ЭЯ1в

0,7 0.6

0,5 я

0.4 « а

0.3 2 я

0,2 0,1

400

600

1400

1600

800 1000 1200 Время, сек.

•Температура в зоне измельчения А Размер частиц

Рис. 4. Зависимости изменения температуры в зоне измельчения и размера измельченных частиц от времени измельчения

На рисунке 5 представлена зависимость содержания эфирных масел в измельченном перце.

Снижение содержания летучих эфирных масел в измельченном материале естественно объясняется ростом температуры в зоне измельчения.

Анализ зависимости (7) нестационарного безградиентного нагрева показывает, что основным путем снижения потерь эфирного масла является снижение начальной температуры измельчаемого материала, что возможно за счет криогенной обработки.

Снижение потерь высокоценного эфирного масла в предлагаемой перспективной технологии криогенного измельчения пряностей является одним из основных факторов, обусловливающих экономический эффект от внедрения данного способа обработки продукта. Так снижение температуры в исследуемом диапазоне при обработке

2 1,9

1 1,8

1§ 17

«•2 1 б

0 1

ё I 1.5

1 £ 1.4 й 1 3

§ 1.2

° 1.1 1

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Температура материала, °С

Рис. 5. Зависимость содержания эфирных масел в измельченном перце

материала на каждые 5° С увеличивает содержание эфирного масла пропорционально на 10%.

Эксперименты по криогенному измельчению были выполнены на той же лабораторной молотковой мельнице и при тех же параметрах процесса, которые использовались в опытах при температуре окружающей среды.

Криогенное охлаждение материала проводилось непосредственным погружением в жидкий азот перед измельчением. Температура перед криогенным измельчением составила-195° С, а после измельчения -55° С (для безкриогенного эксперимента данные температуры были 28° С и 36° С, соответственно). Содержание эфирного масла в продукте после данной криогенной обработки составило 3,18 мл/100 г, что на 12% больше, чем при соответствующей безкри-огенной обработке (2,85 мл/100 г).

После измельчения на лабораторной молотковой мельнице продукт просеивали на сите с размером отверстий 0,4 мм. Для продукта, полученного при использовании безкриогенного способа измельчения при начальной температуре продукта 36°С, проход составил 5055% материала, в то время как для криообработанного сырья проход составил 70-75% , что обусловливает возможность сокращения времени обработки при снижении затрат энергии на измельчение.

• ч

ч Ч

ч ч,

у=- Т0?( 17х+ 2,60( 19 ч

п2- 0,9842 1 ч

ч

Глава 3. Разработка процесса криогенной обработки растительных материалов.

В связи с разработкой процесса криогенной обработки растительных материалов необходимо обосновать методику определения скорости движения фронта замораживания и теплофизических свойств по экспериментальным данным процесса заморозки и разморозки на основе решения задачи теплопроводности с подвижной границей.

Данная задача решается путем введения температурных полей для каждой отдельной фазы на основе независимого решения задачи для полуограниченных тел, представленного A.B. Лыковым, которые в преобразованном виде будут иметь вид:

С ^

Т](х,т) = А1+Вгег/

2-Т^Г

(8)

Т2(х,т) = Л2+В2-ег/

2'4^2

(9)

На границе раздела фаз в этом случае выполняется условие сопряжения фаз, учитывающее поглощение тепла при фазовом переходе.

dr

дх

дх

(10)

В результате преобразования с использованием граничных условий и введения соотношения для описания движения границы раздела фаз £/Vr =(3 инварианты тепловых полей примут вид:

erf

Тх{х,т)=Тс +(Тг -Тс)-

erf

(П)

erfc

Т2{х,т) = Т0 + (Тй-Т:)-

'2

'_ßA J

(12)

Дифференцируя полученные инварианты тепловых полей по координате и учитывая, что координата может быть выражена (3. ^т, получаем возможность использовать эти производные для определения неизвестного параметра ¡3 из преобразованного после подстановки условия сопряжения (10).

Методика определения скорости движения границы фазового перехода проверена на экспериментальных данных замораживания клубники, для которой имеется весь набор теплофизических свойств.

Представлено кинетическое уравнение передачи тепла с подвижной границей с использованием функции Хевисайда от координаты и времени.

Т _Ф(х,г) = Т2(х,т)-ф[х-р-у[т) + Т\{х,т)-ф(/3-^т -х). (13)

При проведении опытов по криогенной обработке черного перца (горошек) в сосуде Дьюара, наполненном жидким азотом, и его последующего нагрева в атмосфере воздуха при комнатной температуре была использована термоизолированная термопара, помещенная в центр горошины перца и подсоединенная к универсальному преобразователю, который, в свою очередь, подсоединен к персональному компьютеру. Процесс замерзания перца происходил быстро. После-

т., сек.

Рис. 6. Экспериментальные (точки) и расчетные (линия) данные по темпера туре при передаче тепла с подвижной границей замороженного перца

дующий процесс нагрева замороженного перца, в среднем, занимал около 15 минут. Запись температуры нагрева в центре горошины перца представлена на рисунке 6.

Идентификация параметров теплового процесса горошин перца проводилась с использованием полученных зависимостей, и исходные и полученные в результате идентификации данные следующие: с! = Ф10°, м; Т0 = 285 К; Т = 80 К; л, = 1,347-10"5 м2/с; а2 = 610'6 м2/с;

1,347-Ю"3 м/с0-5.

Глава 4. Обоснование технического предложения по установке измельчения пряностей с предварительной криогенной обработкой.

В работе предлагается использовать двухступенчатую схему криогенной обработки - на первой стадии материал обдувается газообразным азотом, который образовался при испарении жидкого азота при орошении материала на второй стадии. Таким образом, материал и азот идут противотоком в двухъярусном аппарате со спиральными шнеками.

Расчет удельного количества подаваемого азота к количеству сыпучего материала определен как суммарный расход из теплового баланса для каждого яруса установки:

М+А^ (]4)

в

где Мр М1 - расход азота кг/ч на 1 и 2 ярусе.

0-с-(Г-А

М, =■--'-■ (15)

1-1*

с-/") /,£Л

М, =—^-. (16)

1 Г-1

Обоснованием преимущества двухъярусной схемы, по сравнению с одноярусной, может служить сравнение удельных затрат жидкого азота как самого дорогого компонента процесса.

Для этого найдем удельное количество азота для одноярусной схемы установки: 16

М _ (с-Г-С-Г") (17)

С Г-1к

Таким образом установлено, что двухъярусная схема криогенной подготовки пряностей к измельчению позволяет существенно снизить относительные затраты жидкого азота на проведение данного процесса. При этом отмечено, что относительные затраты жидкого азота уменьшаются с увеличением глубины замораживания.

На основании проведенных исследований разработана установка криогенного измельчения пряностей, которая работает по предлагаемому непрерывному способу обработки растительного материала (заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418).

Устройство криогенного измельчения пряностей, включающее в себя последовательно соединенные дозатор-питатель, камеру криогенной обработки и измельчитель, а также устройство подачи жидкого криоагента, отличающееся тем, что дозатор-питатель, камера криогенной обработки и измельчитель соединены путем использования патрубков, в качестве устройства подачи криоагента содержит резервуар в виде сосуда Дьюара с компрессором, а камера криогенной обработки выполнена термоизолированно и снабжена спиральными транспортерами с возможностью вращения, установленными в два яруса, при этом днище корпуса верхнего яруса перфорированное с отверстиями диаметра меньших размеров исходных частиц прянос тей, а по оси нижнего яруса расположена неподвижная перфорированная трубка, соединенная с резервуаром для жидкого криоагента.

Проведенная разработка составила основу технического задания на опытно-промышленную установку, принятую для реализации в ООО «Компания Караван».

На рисунке 7 представлена схема устройства криогенного измельчения пряностей. На рисунке 8 представлена конструкция камеры криогенной обработки.

Устройство криогенного измельчения пряностей (рисунок 7) состоит из камеры криогенной обработки 1, дозатора-питателя 2, привода транспортеров 3, сосуда Дьюара 4, компрессора 5, измельчителя 6 с приводом 7. Все это закреплено на раме 8.

Рис. 7. Схема установки для криообработки измельчения пряностей. 1 - охладитель; 2 - питатель; 3 - привод охладителя; 4 - сосуд Дыоара; 5 - компрессор; 6 - измельчитель; 7- привод измельчителя; 8-рама

Рис. 8. Схема 2-ярусной криогенной установки со спиральными транспортными шнеками. 1 - корпус; 2 - шнек; 3 - крышка резервного сброса паров жидкого азота; 4 - трубка подачи жидкого азота; 5 - звездочка; 6 - втулка

Камера криогенной обработки (рисунок 8) состоит из корпуса 1, шнека 2, крышки резервного сброса паров азота 3, трубки подачи жидкого азота 4, звездочки 5 и втулки 6.

ВЫВОДЫ:

1. Криогенная обработка пряностей с жидким азотом обеспечивает эффективное измельчение за счет изменения прочностных свойств материала и сохранения летучих компонентов.

2. Для определения прочностных свойств плодов перца черного (сферических частиц, сжимаемых между плоскими поверхностями) при упругой и упруго-пластичной деформации применимы соотношения между силой контакта и деформацией, полученных Герцем.

3. Эксперименты по сжатию единичных плодов перца черного горького вплоть до разрушения проведены на установке, обеспечивающей нагруженис с постоянной скоростью, позволили установить на деформационной диаграмме нагружения два участка: первый -участок упругих деформаций и второй - участок упруго-пластичных деформаций.

4. Разрушение плодов перца черного горького происходит в области упруго-пластичной деформации, и область пластичной деформации не наступает. Прочностные характеристики носят распределенный случайный характер, так как возможны отличия по микроструктуре и ориентации, а также возможны дефекты плодов.

5. Криообработка жидким азотом плодов перца черного существенно изменяет прочностные характеристики, и при ее применении модуль упругости уменьшается с 1.033* К)9 Па до 1.702хЮ7 Па; модуль сдвига с 4.036x108 Па до 6.647x106 Па; нормальная жесткость контакта с 7.293x105 Па*м до 2.03x104 Па*м; работа разрушения криообработанных плодов перца черного горького меньше на 93%.

6. Процесс замораживания при криогенной обработке адекватно описывается решением задачи теплопроводности с подвижной границей, скорость которой представлена кинетическим уравнением с использованием функции Хевисайда от координаты и времени.

7. Комплекс данных по коэффициенту пропорциональности, характеризующему скорость движения границы зон промерзания (Р = 1,347'10"3 м/с0-5), и коэффициентам температуропроводности плодов перца черного горького (для замороженной зоны

а = l,347i0'5 м2/с, а для талой зоны а = 610"6 м2/с) получен идентификацией экспериментальных данных процесса теплообмена криогенной обработки.

8. В результате научного исследования влияния преобразования энергии при измельчении в температурные эффекты, то есть для описания кинетики нагрева измельчаемого материала получена адекватная модель процесса нестационарного безградиентного нагрева. Установлено, что температура в зоне измельчения растет линейно со временем пребывания, а размер частиц уменьшается.

9. Результат практической разработки процесса и техники криогенной подготовки пряноароматического сырья к измельчению: установка для криогенного измельчения пряностей (заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418) признана высокоэффективной и принята Межрегиональным научно-производственным центром «Экстракт-Продукт» для совместной работы по практической реализации разработки.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Научные статьи в журналах, рекомендуемых ВАК при Минобрнауки России:

1. Косова Н.В. Перспективный способ эффективной технологии переработки пряного растительного сырья криогенным измельчением / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Новые технологии. Майкопский государственный технологический университет. 2013. №3,- С. 23-25.

2. Косова Н.В. Теоретические основы определения прочностных свойств растительного сырья и методика их экспериментального исследования / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Новые технологии. Майкопский государственный технологический университет. 2013 .№ 3.-С. 26-31.

3. Косова Н.В. Исследование разрушения плодов пряно-ароматического растительного сырья сжатием / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев // Новые технологии. Майкопский государственный технологический университет. 2013. № 3- С. 31-35. 20

4. Косова H.B. Влияние криогенной обработки на прочностные свойства плодов перца черного горького / Н.В. Косова, З.А. Мере-туков, Е.П. Кошевой // Известия ВУЗов «Пищевая технология». КубГТУ. 2014. №1 - С. 85-88.

Научные статьи и материалы конференций:

5. Косова Н.В. Основные параметры теплообмена при обработке пряностей замораживанием / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Материалы XV международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». ЛлтГТУ, Барнаул, 2014. - С. 38-41.

6. Косова Н.В. Эффективная технология переработки пряного растительного сырья криогенным измельчением / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки», РИЦ БашГУ, Уфа, 2014. - С. 174-176.

7. Косова Н.В. Разрушение плодов перца сжатием / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы». Москва, 2014. - С. 147-150, www.co2b.ru

8. Косова Н.В. Основы теории определения прочностных свойств растительного сырья / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Псрспекгивы развития науки и образования». Тамбов, 2014. -С. 87-90, www.ucom.ru

9. Косова Н.В. Методика практического исследования прочностных свойств растительного сырья / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования». Тамбов, 2014.-С. 85-87, www.ucom.ru

10. Косова Н.В. Температурные зависимости процесса измельчения пряностей / Н.В. Косова, З.А. Меретуков, Е.П. Кошевой, B.C. Косачсв // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КубГТУ». 2014. № 1, www.ntk.kubstu.ru

Условные обозначения

Т, Т , Т, Т, и Т2 - соответственно температуры криогенной среды, замораживания, первой и второй фаз; V - влагосодержание;

reff-эффективный радиус частицы, определяемый как отношение объема частицы к её площади; х - координата; х — время;

л, и л2; X, и Х2; у, и у2; с, и с2 - соответственно для первой и второй фаз температуропроводность; теплопроводность; плотность и удельная теплоемкость;

р - теплота фазового перехода; erf (и) — функция Гаусса.

Косова Наталья Викторовна

разработка процесса криогенной подготовки пряностей к измельчению

АВТОРЕФЕРАТ

Сдано в набор 22.05.2014 г. Подписано в печать 27.05.2014 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,38. Тираж 150 экз. Заказ № 110. ООО «Качество», 385000, г. Майкоп, ул. Крестьянская, 221/2, тел.: (8772) 57-09-92.

Майкопский государственный технологический университет

04201460133

Косова Наталья Викторовна

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА КРИОГЕННОЙ ПОДГОТОВКИ ПРЯНОСТЕЙ К ИЗМЕЛЬЧЕНИЮ

Специальность 05.18.12.-Процессы и аппараты пищевых производств

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, З.А. Меретуков

Майкоп-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Литературный обзор 5

1.1.Состояние и развитие основных способов измельчения твердых

6

материалов.

1.1.1.Процесс измельчения твердых материалов. 6

1.1.2.Машины для измельчения частиц. Ю

1.2.Состояние науки и техники криогенной обработки растительных

21

материалов.

1.2.1. Теория и моделирование процесса криогенной обработки. 21

1.2.2. Теплофизические свойства пищевых материалов 3 \

1.2.3.Способы криогенной обработки. 35

1.3. Выводы по обзору. Формулировка цели и задач исследования. 40 Глава 2. Исследование свойств плодов перца черного горького как объекта измельчения.

2.1. Теоретические основы определения прочностных свойств. 42

2.2. Методика исследования прочностных свойств. 45

2.3 Результаты определения характеристик разрушения плодов перца черного горького.

2.4 Сравнение результатов определения характеристик разрушения плодов перца черного без и с криообработкой.

2.5 Моделирование температурных эффектов при измельчении частиц пряностей

Глава 3. Разработка процесса криогенной обработки растительных материалов.

3.1.Моделирование процесса движения фронта замораживания растительных материалов при криогенной обработке.

3.2. Теплообмен при криогенной обработке пряностей 92 Глава 4. Обоснование технического предложения по установке измельчения пряностей с предварительной криогенной обработкой

50

65

73

81

81

4.1 .Моделирование теплообмена в аппарате криогенной обработки 95

4.2. Анализ конструкции аппарата криогенного измельчения пряностей юб

Выводы Ц2

Литература 114

Приложения 127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей на современном этапе развития страны, характеризуемом наличием в стране значительной части населения с отклонениями в здоровье и снижением продолжительности жизни, является обеспечение здоровья населения за счет питания пищевыми продуктами высокого качества Решение этой задачи возможно путем разработки новой техники и технологии производства высококачественных пищевых продуктов.

Применение пряностей в пищевых продуктах - давняя традиция и обязательное условие обеспечения их высокого качества. Основной целью измельчения пряностей является достижение уменьшения размеров частиц при хорошем качестве продукта в плане сохранения вкусовых качеств и цвета. Пряности находят применение как непосредственно в измельченном виде, так и виде экстрактов, для получения которых операция измельчения является обязательной.

Пряности содержат различные масла, в том числе ценные летучие компоненты, что приводит к трудностям при их измельчении. Рост температуры в процессе измельчения ведет к потерям летучих ароматических компонентов, которые являются не только ценными, но и опасными для человека, например такой компонент как капсаицин в составе перца красного. Вырабатываемое в процессе измельчения тепло, обычно является вредным для продукта и приводит к некоторому ухудшению вкуса и качества. Масла в составе пряностей препятствуют разрушению частиц, и такие частицы при измельчении закупоривают сита, применяемые для отделения фракций требуемого размера.

Потери летучих масел могут быть заметно снижены методом низкотемпературного (криогенного) измельчения пряностей предварительно обработанных жидким азотом. При этом возможно получение твердо-хрупкого состояния материала благоприятного для энергосбережения при измельчении, а также поддержание требуемого низкотемпературного уровня

за счёт поглощения вырабатываемого в процессе измельчения тепла. Испарение жидкого азота до газообразного состояния фактически создаёт инертную и сухую атмосферу для дополнительной защиты качества продукта. Предварительное охлаждение пряностей и постоянно поддерживаемая в измельчителе низкая температура снижает уровень потерь летучих масел и влаги, тем самым, сохраняя большую часть ароматических веществ, приходящихся на единицу массы продукта.

В данной работе предпринят комплексный анализ системы процессов криогенной обработки пряностей и последующего их измельчения. На этой основе разрабатывается процесс и конструируется устройство для низкотемпературного (криогенного) измельчения. Основными элементами такого устройства являются предварительный охладитель и измельчитель. В связи с этим рассматриваются вопросы, имеющие научную актуальность. Развивается одно из научного направления криотехнологии. Поставлены и решены задачи теплопереноса в твердой фазе частиц пряностей при обработке их жидким азотом. Изучены теплофизические и механические свойства перца черного в широком температурном диапазоне. Разработана математическая модель и обоснована конструкция установки для криогенного измельчения. Дана оценка качества полученного продукта и эффективности предложенного процесса и установки.

Таким образом, цель данной работы - обосновать систему процессов криогенного измельчения пряностей и на этой основе предложить конструкцию установки и режимы работы при криогенном измельчении пряностей.

Диссертационная работа выполнена в Майкопском государственном технологическом университете в рамках инициативной научно-исследовательской темы Майкопского государственного технологического университета «Совершенствование технологических приемов производства продуктов переработки сельскохозяйственного сырья» (№ гос. регистрации 01201062580).

Глава 1. Литературный обзор.

1.1.Состояние и развитие основных способов измельчения твердых материалов.

1.1. ¡.Процесс измельчения твердых материалов.

Процесс измельчения твердых тел до частиц малых размеров в

пищевой технологии осуществляется с целью повышения скорости процессов их обработки за счет увеличения удельной площади поверхности частиц или обеспечения доступа к содержащимся внутри частиц ценным веществам [19-21; 31]. В большинстве случаев практическое использование твердых материалов без их предварительного измельчения вообще невозможно в пищевой технологии. Поскольку почти все применяемые пищевой промышленностью виды сырья в обычных условиях находятся в твердом состоянии, измельчение является одной из основных операций их переработки. Известны различные способы получения твердых тел в дисперсном состоянии, из них наиболее простым, экономичным и, вследствие этого, наиболее распространенным, является механическое измельчение [19-21; 31].

В настоящее время известны оценки, что на измельчение во всех отраслях промышленности миллиарда тонн твердых материалов в год затрачивается около 10% всей вырабатываемой электроэнергии [34]. Несколько миллионов тонн высококачественной стали расходуется ежегодно на изготовление мелющих тел. Измельчение применяют в таких многотоннажных отраслях промышленности, как пищевая, а также горнорудная, цементная, стекольная и в производстве металлокерамики, ферритовых изделий, твердых топлив [2; 6; 22; 29; 30].

В зависимости от природы материала и характера его использования к измельчению предъявляют разнообразные, но, чаще всего, вполне конкретные требования - по дисперсности, чистоте, сохранности и др. В большинстве случаев ставится задача получения возможно более тонких порошков при условии, однако, ограничения затрат энергии и времени. Все

это привело к необходимости исследования закономерностей процесса измельчения и свойств порошков. Цель научных работ в области измельчения твердых тел состоит в определении условий и разработке способов их наиболее рационального диспергирования и применения.

Первые попытки научно обоснованного анализа процесса измельчения принадлежат Риттингеру (1867 г.) [111] и Кику (1885 г.) [82]. С того времени появилось множество публикаций, посвященных этой теме. Интерес к измельчению особенно возрос в последние десятилетия в связи с резким расширением производства и потребления порошков и новыми техническими возможностями увеличения их дисперсности [1]. Однако в настоящее время недостаточно работ, которые рассматривали бы этот процесс с позиций физики и физической химии [34], с учетом изменения механических свойств твердых тел под влиянием взаимодействия с жидкостями и газами, в том числе криогенными [62; 118; 119].

В процессе диспергирования можно усмотреть два основных этапа [61]. Первый — разрушение частиц внешней силой, прилагаемой обычно к их совокупности. Второй — агрегация частиц, как самопроизвольная, так и вызванная внешними сжимающими усилиями. Изучение диспергирования связано, следовательно, с проблемой прочности твердого тела и проблемой агрегативной устойчивости, рассматриваемой физикохимией дисперсных систем и поверхностных явлений [34]. Оба процесса — разрушение и агрегация — существенным образом зависят от природы внешней среды и условий ее взаимодействия с частицами, в частности от температуры. Для дисперсных систем вследствие относительно очень развитой поверхности раздела фаз влияние среды особенно велико, а происходящий при измельчении подъем температуры не только изменяет свойства образованных поверхностей, но и сопровождается испарением и соответственно потерями летучих, которые зачастую при переработке такого сырья как пряноароматическое и эфирномасличное являются ценными целевыми компонентами [120].

Таким образом, важным является рассмотрение различных сторон влияния криогенных веществ [62; 118; 119] на интенсивность разрушения и взаимодействие дисперсных частиц, механизм их хрупкого разрушения с учетом изменения размеров частиц и общие закономерности процесса диспергирования.

Необходимой предпосылкой проведения исследований процесса измельчения с получением важных практических рекомендаций является опора на достоверные представления о механизме процесса, физических и физико-химических явлениях при измельчении твердофазных материалов [33]. Особенно это важно для такого процесса измельчения материала, который подвергается криогенной обработке.

Способы механического измельчения, т.е. способы разрушения твердых тел на все более мелкие частицы путем создания в них разрушающих напряжений, как и машины, предназначенные для этой цели, являются предметом изучения машиноведения [19]. Физики измельчения они касаются в той мере, в какой действие среды изменяет прочность твердых тел и характер взаимодействия между дисперсными частицами. Поскольку условия, в которых производится измельчение, для каждого способа различны, то в зависимости от этих условий различен и характер взаимодействия твердых тел со средой, и, вследствие этого, — и эффекты, вызываемые влиянием среды.

По той же причине эффективность применения многих веществ, вероятно и криогенных, для интенсификации процесса измельчения определяется свойствами объекта измельчения, принципом действия и особенностями конструкции измельчителя. В связи с этим представляется уместным краткое описание и систематизация основных приемов тонкого измельчения, применяемых в промышленности и лабораторной практике.

Применение в пищевых продуктах пряностей в измельченном виде широко распространено как в промышленном масштабе (например, в мясной и рыбной промышленности), так и в общественном питании и

непосредственно в домашних условиях. Основной целью измельчения пряностей является достижение уменьшения размеров частиц при хорошем качестве продукта в плане сохранения вкусовых качеств и цвета. Дисперсность измельченных пряностей зависит от продукта, в котором их предполагается использовать.

Характерной пряностью является перец черный (Piper nigr L.), который применяется в ряде отраслей пищевой промышленности, даже в кондитерском производстве. Он включается в состав «сухих духов». Его используют в творожной массе, твердых и плавленых сырах, в пряных смесях в кулинарии, в мясных продуктах, в соусах, маринадах, в выпечках, в напитках. В частности, дисперсность перца черного в случае его применение для производства колбас, сосисок составляет 80-100 мкм, для котлет, пельменей - 100-140 мкм, а для копченостей, мясных деликатесов — более 140 мкм. Измельчение пряностей необходимо и для получения экстрактов, которые также могут использоваться при ароматизации различных пищевых продуктов.

Пряности содержат различные масла, в том числе ценные летучие компоненты, которые могут теряться при измельчении. Этому способствует выделение тепла, и потоки газовой среды за счет интенсивных движений рабочих органов. В разных пряностях такие потери достигают 37% при измельчении мускатного ореха, 32% - в семенах тмина, 14% - в сушёной шелухе мускатного ореха, 17% - в корице и 17% - в орегане [118]. При рассмотрении вопросов потерь летучих ароматических компонентов следует учитывать не только то, что они являются ценными веществами, но и опасными для человека (например, такой компонент как капсаицин в составе перца красного), что становится объектом техники безопасности. Вырабатываемое в процессе измельчения тепло (в процессе измельчения температура продукта повышается примерно от 42 °С до 95 °С, при этом температура колеблется в зависимости от содержания масла и влаги в пряностях) и повышенная температура является вредной и приводит к

некоторому ухудшению вкуса и качества продукта. Масла в составе пряностей препятствуют разрушению частиц, и такие частицы закупоривают сита, применяемые для отбора требуемой фракции при измельчении.

Потери летучего масла могут быть заметно снижены методом низкотемпературного (криогенного) измельчения [118]. В качестве хладоносителя рекомендован жидкий азот, который кипит при температуре -195,6 °С. Хотя образующиеся пары азота имеют выше температуру, однако криобработка обеспечивает температуру, необходимую для предварительного охлаждения пряностей, достижения перехода масел в твердое, а в целом пряность в хрупкое состояние и поддержания требуемого низкотемпературного уровня, за счёт поглощения вырабатываемого в процессе измельчения тепла. Помимо поддержания низкотемпературного уровня, испарение жидкого азота до газообразного состояния фактически создаёт инертную и сухую атмосферу для дополнительной защиты качества продукта. Предварительное охлаждение пряностей и постоянно поддерживаемая в измельчителе низкая температура снижает уровень потерь летучих масел и влаги, тем самым, сохраняя большую часть ароматических веществ, приходящихся на единицу массы продукта.

Вместе с тем, использование жидкого азота требует повышенных затрат и при разработки этой техники и технологии необходима оптимизация процесса [127]. В этой связи целесообразно разработать процесс и сконструировать энергетически и технологически обоснованное устройство для низкотемпературной (криогенной) подготовки материала к измельчению с охлаждением пряностей перед их подачей в измельчитель и также с поддержанием низкой температуры в зоне измельчения.

1.1.2.Машины для измельчения частиц

При конструировании мельниц учитываются дисперсность, которую необходимо получить, размеры исходного материала, его механические свойства (твердость, пластичность, прочность). Также необходимо учесть температурные характеристики, реакционную способность и ее изменение

при измельчении, а также возможную степень загрязнения материала продуктами износа мельницы и мелющих тел, допустимую степень его окисления при взаимодействии с воздухом, взрывоопасность и ряд других показателей. Непременным условием промышленного процесса измельчения должна быть его экономичность, разумная длительность, простота устройства машины и надежность ее работы.

Все многообразие требований, предъявляемых практикой к порошкам и суспензиям и к способам их получения, привело к созданию самых разнообразных типов машин для измельчения [19-21].

По мере развития техники в связи с появлением новых конструкционных материалов и изменением требований к измельченным частицам и расширением их ассортимента машины для измельчения становятся более совершенными; число их типов, отличающихся размерами, производительностью и другими параметрами, все многочисленнее. Это вызвало необходимость некоторой их систематизации, связанной как с нуждами конструирования, так и предназначенной для облегчения их выбора для каждого конкретного случая промышленного использования или лабораторных нужд. Различные варианты систематизации измельчителей приведены в ряде монографий [1-4; 6; 9; 22; 29; 30]. Несмотря н