автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое

005015529

На правах рукописи

КОНЦОВ Виталий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ БОЯРЫШНИКА И ШИПОВНИКА В ПЛОТНОМ ПЕРЕСЫПАЮЩЕМСЯ СЛОЕ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2.МДР

Воронеж - 2012

005015529

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Остриков Александр Николаевич

Официальные оппоненты - Шншацквй Юлиан Иванович

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный университет инженерных технологий, профессор)

Крячко Александр Владимирович кандидат технических наук, Бутурлиновский механико-технологический колледж, директор

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I»

Защита диссертации состоится «15» марта 2012 г. в 12 00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.035.01 при Воронежском государственном университете инженерных технологий по адресу: 394036, Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУИТ. Автореферат разослан «14» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Плоды шиповника и боярышника являются источником витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон и других жизненно важных нутриентов, важных для нормального обеспечения обменных процессов.

В настоящее время потребность во фруктах и ягодах, необходимая для обеспечения населения Российской Федерации, оценивается в 11 млн. тонн, а среднегодовой сбор в стране составляет менее 4 млн. тонн или 36 % от потребности.

По данным экспертов россиянин потребляет примерно 34 кг фруктов при рекомендуемой норме около 100 кг в год. Российский рынок фруктов характеризуется устойчивой тенденцией к росту. Темпы увеличения объема рынка составляют примерно 15 % в год, преимущественно рост рынка осуществляется за счет увеличения импортных поставок фруктов. Сушеные плоды шиповника и боярышника входят в состав компотов, микстур, ликеров, соусов, джемов и других видов продуктов. Потребительские свойства сушеных плодов формируются в процессе сушки. Они обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве сушеных плодов шиповника и боярышника очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами.

В настоящее время сушка плодов шиповника и боярышника осуществляется на ленточных сушилках. Она сопряжена со значительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта, поэтому необходима разработка новых сушильных установок и технологий.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, Б.С. Сажина,

С.Г1. Рудобашты и др.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры , процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГУИТ на 2011-2015 гг. «Разработка новых и совер-

шенствование энергосберегающих технологических процессов и аппаратов в химических и пищевых производствах» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).

Цель диссертационной работы: научное обеспечение и разработка способа сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое для увеличения эффективности процесса при высоком качестве готовой продукции.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

]. Изучение плодов боярышника и шиповника как объекта исследования; определение структурно-механических и теплофи-зических характеристик плодов боярышника и шиповника.

2. Изучение клнетики процесса термолиза плодов боярышника и шиповника методом термического анализа; выявление температурных зон, соответствующих испарению влаги с различной энергией связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса.

3. Изучение основных кинетических закономерностей сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое при стационарных и комбинированных режимах.

4. Определение рациональных технологических параметров процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое при комбинированных режимах.

5. Комплексная оценка качества плодов боярышника и шиповника, высушенных по предлагаемой технологии.

6. Разработка математической модели процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое.

7. Разработка конструкций сушилок дпя производства сушеных плодов боярышника и шиповника. Энергетическая оценка тепловой эффективности предлагаемых конструкций сушилок.

Научная новизна. Определен характер изменения коэффициентов внешнего и внутреннего трения плодов шиповника и боярышника при движении в плотном пересыпающемся слое в зависимости от влажности.

Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое при стационарных и комбинированных режимах.

Обоснована целесообразность использования комбинированных режимов для сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое в соответствии с формой связи

удаляемой влаги.

Получена математическая модель процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое, позволяющая рассчитать среднеобъемные значения влажности и

температуры плодов.

Составлена компьютерная программа для определения режимов движения плодов шиповника для четырех форм гибкой перфорированной ленты. Выявлены рациональные конструктивные параметры ленты и режимы функционирования, обеспечивающие гарантированное перемешивание плодов.

Практическая ценность. Разработаны рациональные технологические параметры процесса сушки плодов шиповника и боярышника при комбинированном режиме сушки. Предложены оригинальные конструкции сушилок для сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое.

Проведено комплексное исследование показателей качества плодов боярышника и шиповника, высушенных в плотном пересыпающемся слое при комбинированных режимах. Установлено, что плоды боярышника и шиповника обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокую пищевую и биологическую ценности. Новизна технических решений защищена 2 патентами РФ, получено 1 свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы. Основные результаты исследовании

докладывались и обсуждались: на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2009 по 2010 гг.); международной научно-практической конференции «Образование, наука, практика: инновационный аспект» (Пенза, 2008)- Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и'молодых ученых (Воронеж, 2009); Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых

продуктов» (Махачкала, 2010); четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберггающие технологии - СЭТТ-2011» (Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т. ч. 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ и 1 свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 21 таблицу. Список литературы включает 123 наименования, в том числе 21 - на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 73 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства сушеных плодов боярышника и шиповника; обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии техники и технологии процесса сушки плодов боярышника и шиповника, о наиболее значимых направлениях совершенствования оборудования и технологии сушки плодов боярышника и шиповника. На основании проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе исследованы плоды боярышника и шиповника как объекта сушки. Были получены зависимости коэффициентов внешнего и внутреннего трения по стали от влажности плодов боярышника и шиповника. Их анализ показывает, что коэффициенты внешнего и внутреннего трения увеличиваются с ростом влажности. Коэффициенты внутреннего и внешнего трения являются одними из важнейших характеристик, определяющих физико-механические свойства плодов шиповника и боя-

а б

Рис. 1. Зависимость коэффициентов внутреннего (а) и внешнего (б) трения от влажности IV, %, плодов шиповника и боярышника

рышиика Анализ зависимостей<р (Ж) (рис. 1) свидетельствует о том, что коэффициенты внешнего и внутреннего трения линейно увеличиваются с ростом влажности.

Были получены зависимости коэффициентов внешнего /анеш и внутреннего трения /ввутр по стали от влажности плодов: шиповника: Г.....= 0,003-^+1,2792, /лкт, =0,0028-IV + 1,4394. (I)

^ внеш впу I р

и боярышника: /юсш =0,0129 УУ + 0,74, /юутр =0,0119-^ + 0,988 . (2)

Полученные значения коэффициентов внутреннего и внешнего трения позволяют подобрать такой гидродинамический режим их перемешивания на перфорированной ленте, который позволяет обеспечить равномерное перемешивание и минимизировать истирание продукта.

Для получения информации о кинетике процесса термолиза плодов шиповника и боярышника был использован термический анализ. Деривато-

1.4 1.2 1.0 0.8 0.15 0,4 0.2 О

■ч

/

! // 1

/

I 6 /

1 | в/

: Г,- 368,1К

и д 5 ю'гг } П *"•'

а

1 1 . _

ьи Т{ =31 г 7К

_

?, -"ИЗК

... Г :... 1 . : J

2.0

2.4 2.6 ¡0 /7 -

2.8

3.0 К 3.2 3.4

Рис. 2. Зависимость -/£ а от 10 /Топя

боярышника (а) и шиповника (б)

грамма плодов шиповника и боярышника имела характеристические температуры ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, сопровождающихся испарением влаги и выделением газообразных фракций. Анализ зависимостей изменения массы в координатах «(-^ а) - (103/7> показывает наличие трех линейных

участков (рис. 2).

Для правильной организации процесса сушки важно знать характер изменения теплофизических характеристик плодов боярышника и шиповника. Анализ полученных данных показывает, что влажность плодов оказывает большее влияние на коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и удельную теплоемкость, чем температура (рис. 3 и рис. 4)

10,2 и' I 10

М '1.2

ч - -

1 .ЯГ- 60.1)гх, 2 - П.5ГЛ

ч 1

/ г

д ЙЯ| ( м

0.35

Ч.И 0.11 11.32 0.31

I - 1У-61107% 2- Н' 131-*%

20 *0

(..а ни V 10(1

мт г.ДЬ» ('•■•»

331} ¡310 3325 3300

/ 1 1 - 4

/ -

1 / - IV 60.07% 2 ■ 1Г-П.И'Х,

111111(1

-Ф

4 •у |

1 ■ 1У-Я2.17% 2 - 1Г--1*2 17У„

-

:

/

КО ЭС 100

»17 I Вт 1м К1

«Л

н.т

7%

3 ■ V'117.17%

/.II АО V 1№>

1400 ( .1* уг.-Ю 1НОО

1700

1Ш1

1500

Ы11Г1

ч V } J . И' XI17% 2- \**Я2Л%

-1

(

Рис. 3. Теплофизические характеристики шиповника: а - температуропроводность, б-теплопроводность, в- удельная теплоемкость

Рис. 4. Теплофизические характерней ки боярышника: а - температуропро водность, 5-теплопроводность, в-удельная теплоемкость

Статистическая обработка опытных данных на ЭВМ позволила получить уравнения, описывающие теплофизические свойства плодов шиповника и боярышника для интервала температур

13,54 IV = 60,07 %

Шиповник с = 3309,8 +1,1188/ Я = 0,3115 + 0,0002/ а = 9,165 + 0,0032-/ с = 3363,3 + 0,6338/ Я = 0,3405+ 0,0002/ а = 9,76 + 0,0031/

\У= 13,23 % IV = 82.17%

Боярышник с = 1359,7 + 3,5918/ Я = 0,083+ 0,0005/ а = 5,52 + 0,0126-/ с = 1664,6 + 3,3483/ Я = 0,1345+ 0,0004/ £/ = 7,585 + 0,0063/

Установлено также, что с повышением температуры коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и удельная теплоемкость плодов боярышника и шиповника увеличива-

ются.

В третьей главе разработана математическая модель процесса сушки плодов боярышника и шиповника при таких допущениях- геометрическая форма высушиваемого продукта постоянна, теплофизические и массообменные параметры усреднены; начальное распределение температуры и влагосодержания по объему высушиваемого продукта постоянны.

Процесс сушки плодов шиповника в плотном пересыпающемся слое описывается системой дифференциальных уравнении тепло-и массопереноса:

ро = с!1у[а„,рйУи + а1„лр^Т] + ¿IV {а,,ар^и + а'ш2р0УТ], (3) дт

ср0 — - сКу(А7Т) + гпсИу(апйРйЧи + а'пЛр^Т) - (4)

дг '

В безразмерном виде система уравнений (3-4) принимает

вид:

+ (к,1 = 1,2.....п). (5)

Для диффузионного тепломассопереноса во влажных телах (к,1-1,2) входящие в уравнение (5) безразмерные параметры имеют вид:

в1 - Т;вг = в;Щ - /72* = 0;

К'п = I + ггКоРпЬи,-^ = -*КоЬи;1 (6)

К*21 =-П1?п;1С22=Ы. \

Краевые условия принимаем:

вк(Х,0) = 0, к = 1,2. (7)

Для симметричных полей температуры и влагосодержания

= 0; Вк(Ъ$о )*<*>. (8)

3вк(0,?о)

дХ

Граничные условия имеют вид:

дв1<х>¥о)-кл^о)+(\-е ;коЬиЮ2 (Ро; = о,- (9) дХ

+ + + (10) дХ дХ ' Ко Ьи дХ

0,(\,¥о) = <р3(¥о). (11)

Далее задачу внутреннего и внешнего тепломассообмена решаем в конечно-разностной форме на сетке, узлами которой являются указанные элементы.

Каждый элемент / плода характеризуется температурой Т„, и влажностью И^. С течением времени температура и влажность каждого элемента изменяются, при этом расчет Тщ и \Ут производится с использованием уравнений математической физики в конечных разностях. На каждом шаге интегрирования к рассчитывается новое значение влажности и температуры плода /, находящегося в контакте с плодом у, по следующим итерационным формулам

цгк тк ~Тк /II-

+ д-; и (12)

Гу Гч

Для решения дифференциальных уравнений движения методом Эйлера-Коши была составлена компьютерная программа «Оптимизация конструктивных параметров транспортирующей

ленты сушилки для создания пересыпающегося слоя высушенного продукта» на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.0. Модель позволяет проследить, как меняется с течением времени температура Т и влажность W/Wo каждого плода из большой совокупности плодов. Состояние каждого плода изображается точкой на диаграмме J¥/Wo(x) и Т(х) и прослеживается, как точки перемещаются по диаграмме по мере движения ленты (рис. 5).

it.г, -0,4 -

v. _ " »

il.f. i).J -

«,2

0,0 0..Я 0/> 0,9 1 1 .V.

50-j 4<Н .W - /у

20 10-

0,0 о,? о/> о б ч 2

, <-• * "Г-'. .

—'w™»«___

.-"v .- .„viis' JaSasr'r"

0,3 0,6 (i.'J

в

V- w.

-1 "чй'-; ч «г»

(»,0 0.1 О.Л 0.9 1.2 Л-.М

.•--.v-y-' -ай&й'" "

1

0,0 (),i 0.6 o.v

Рис. 5. Форма транспортирующей ленты, распределение влажности и температурь! по длине ленты прямолинейной формы (а), волнообразной формы (б), с «накатыванием на горку» (в), с «обрывами» (г)

Одной из лучших схем ленты является схема «с обрывами» (рис. 6, г). Важным преимуществом такой схемы является гарантированное перемешивание слоев в момент «обрыва».

В четвертой главе изложено описание экспериментальной установки для исследования процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое. В качестве объекта исследования использовали плоды боярышника и шиповника, которые предварительно очищали, мыли и разрезали плоды шиповника пополам, а плоды боярышника - на четыре части.

Процесс сушки плодов шиповника и боярышника в плотном пересыпавшемся слое исследовался при следующих режимных параметрах: скорость теплоносителя - 0,25-2,8 м/с, его температура - 313-363 К: удельная нагрузка - ? = 0,63-4,40 кг/м ; амплитуда волны транспортирующей ленты - А = 75-200 мм, угол наклона ленты на переднем гребне волны - а, - 12-39°.

Кинетические закономерности процесса сушки плодов боярышника представлены кривыми сушки, кривыми скорости сушки (рис 6) и температурными кривыми (рис. 7).

Установлено, что основная часть испаряемой влаги удаляется в периоде убывающей скорости сушки.

В результате исследования кинетических зависимостей процесса сушки плодов боярышника и шиповника при стационарных режимах разработаны комбинированные режимы сушки, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Комбинированные режимы сушки плодов шиповника

и боярышникг Вид сырья 1 ------- Этапы сушки

I II III

Шиповник Г=348 К, о=2,0 м/с, т=20 мин 7^358 К, о=1,0 м/с, т=40 мин Г=368 К, «=0,5 м/с, г=45 мин

Боярышник 7"=343 К, «=2,0 м/с, т=20 мин 7=353 К, »=1,5 м/с, г=30 мин 7К363 К, о=1,0 м/с, г= 100 мин

Разработанный комбинированный режим процесса сушки плодов боярышника и шиповника (рис. 8) позволяет добиться равномерного высушивания продукта и интенсивного испарения влаги с его поверхности.

'Ько 1

к

1 I, <\ 1-у

1 1 313 к 303 / / у

Т 353 К 2--»-/.5 м/с У /

0.25 0,5 П.75 1.11 1.25 1.5 1.75 и/кг 2.25

343 1. - г'7

Г"

1 1 * I313 303 (I # Т -363 к 1 1.0 м/с 2 1,5 м/с 3 2,0 м/с 4 0,5 м/с

ч

ч

0.25 0.5 0.75 1.(1 1.25 1.5 1.75 кг1*т2.1! (!'-—

Рис. 6. Кривые сушки и скорости Рис. 7. Температурные кривые просушки плодов боярышника при цесса сушки плодов боярышника при температурах воздуха Т, К: а - температурах'воздуха Т, К: а - 343, 6 343, б - 353, в - 363 и скоростях - 353, в - 363 и скоростях воздуха V, воздуха V, м/с; / - 1,0; 2 - 1,5; 3 - м/с; 1 -1,0; 2 - 1,5; 3 - 2,0; 4 - 0,5 2,0; 4 - 0,5

В пятой глав® проведены исследования комплексной оценки качества сушеных плодов боярышника и шиповника по оргаколептическим и физико-химическим показателям, а также исследования химического (рис. 9) и витаминного (рис, 10) состава, а также антиоксидантной активности.

Рис. 8. Кривые сушки, скорости сушки (а), температурные кривые и термограммы (б) процесса сушки плодов боярышника (/) и шиповника (2) для комбинированного режима (параметры приведены в табл. 1)

Рис. 9. Химический состав плодов шиповника (а) и боярышника (б)

Определение вышеуказанных показателей позволило выявить структурные изменения в плодах боярышника и шиповника, происходящие в процессе их сушки, и оценить качество полученного продукта. Определение токсичных элементов не выявило превышения допустимых уровней их содержания в плодах боярышника и шиповника.

а б

Рис. 10. Витаминный состав плодов шиповника (а) и боярышника (б)

В шестой главе разработаны оригиначьная конструкция сушилки (рис. 11), обеспечивающая рациональные режимы сушки плодов боярышника и шиповника.

Рис. 11. Сушилка: 1 - корпус; 2 - питатель; 3 - загрузочный бункер; 4 -регулятор высоты слоя; 5, 12 - патрубки; 6 - гибкие перегородки; 7 -подшипники; 8 - шток; 9 - пневмоцилиндр; 10, 11 - верхний и нижний пазы; 13 - выгрузочный лоток; 14 - серповидные направляющие; 15-гибкая перфорированная лента; ¡6 - натяжной барабан; 17 - приводной барабан; 18 - направляющие; 19-пластины

Был выполнен эксергетический анализ разработанной и базовой (Г4-КСК-45) сушилок. Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери составили эксергетический баланс теплотехнологических систем сушки плодов. Построенная эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргута (рис. 12) свидетельствует о повышении степе-

ни термодинамического совершенства предлагаемой сушилки по сравнению с ленточной сушилкой Г4-КСК-45, используемой в промышленности.

Рис. 12. Диаграмма Грассмана-Шаргута для предлагаемой конвективной сушилки при сушке плодов боярышника и шиповника. I-VH - номера контрольных поверхностей

Условные обозначения:

Т - температура продукта, К.; с - удельная теплоемкость продукта, кДж/(кг-К); а - коэффициент температуропроводности, м2/с; А - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); е - критерий фазового превращения; W - влажность плодов шиповника, %: вк - безразмерный потенциал переноса; K¡, - комплексный критерий, характеризующий перенос к -ой субстанции под действием движущей силы с индексом /; Пк -безразмерный источник к -переноса; Л' - координата; Г - постоянная формы; Af - элементарный шаг по времени (шаг интегрирования); D -коэффициент диффузии влаги; r¡.i ~ расстояние между узлами; а„, - коэффициент температуропроводности; критерии: Ki - Кирпичева, Ко -Коссовича, Fo - Фурье, Lu - Лыкова, Рп - Поснова, Bi - Био; Т, д -безразмерные температура и потенциал массопереноса (индекс * характеризует фиксированное начальное значение потенциала); и - влагосо-держание продукта, кг/кг; v - скорость воздуха, м/с; г- время, мин; р0 -плотность высушиваемого продукта, кг/м3; аи - коэффициент диффузии влаги, м2/с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); г - координата, м;

С] - удельная нагрузка, кг/м2; А - амплитуда волны транспортирующей ленты, мм; а1 - угол наклона ленты на переднем гребне волны, град.

Основные выводы и результаты

1. Установлено, что коэффициенты внешнего и внутреннего фения плодов шиповника и боярышника линейно увеличиваются с ростом влажности при движении в плотном пересыпающемся слое, что позволяет обеспечить их равномерное перемешивание.

2. М етодом нестационарного теплового режима определены теплофизические характеристики плодов шиповника и боярышника для интервала температур 293...353 К. Установлено, что влажность оказывает большее влияние на коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и удельную теплоемкость, чем температура. Выявлено, что с повышением температуры удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности плодов шиповника и боярышника увеличиваются.

3. Исследована кинетика процесса термолиза плодов шиповника и боярышника, что позволило выявить три температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различными формами связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса, что свидетельствует о ступенчатом испарении влаги.

4. И зучен механизм и основные кинетические закономерности процесса сушки плодов шиповника и боярышника в плотном пересыпающемся слое при стационарных режимах сушки. Обоснован выбор технологических параметров процесса сушки плодов шиповника и боярышника при комбинированном режиме сушки в соответствии с формой связи удаляемой влаги.

5. Разработан а математическая модель процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое, позволяющая рассчитать среднеобъемные значения влажности и температуры плода,

6. Изучены режимы движения плодов боярышника и шиповника на четырех формах гибкой перфорированной ленты: с ровной лентой, с симметричными углублениями, «с набеганием на горку» и «с обрывом». Установлено, что схема ленты «с обры-

вом» является наиболее эффективной, обеспечивая гарантированное перемешивание плодов размером до 15 мм.

7. Составлена компьютерная программа для определения рациональных конструктивных параметров сушилки и режимов ее функционирования. Проведена теоретическая оптимизация сушильной установки, транспортирующая лента которой расположена по схеме «с обрывом». Оптимальная толщина слоя плодов шиповника составляет от 30 до 45 мм; скорость ленты - от 10 до 25 мм/с; шаг «бегущей волны» - 280-320 мм; амплитуда «бегущей волны» - 40-60 мм.

8. Определены рациональные комбинированные режимы сушки плодов боярышника и шиповника (температура изменялась в диапазоне 348-368 К, скорость потока теплоносителя - 0,52,0 м/с, продолжительность этапа - 20-100 мин.).

9. Проведено комплексное исследование показателей качества высушенных плодов боярышника и шиповника при комбинированных режимах сушки, а также исследования химического, минерального, аминокислотного и витаминного состава и анти-оксидантной активности. Установлено, что высушенные плоды боярышника и шиповника обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокую пищевую и биологическую ценность.

10. Предложены оригинальные конструкции аппаратов для сушки плодов боярышника и шиповника. Проведены производственные испытания способа сушки плодов боярышника и шиповника на ООО «Живица», которые подтвердили высокую эффективность разработанных комбинированных режимов сушки. Ожидаемый экономический эффект от его промышленного внедрения составит 375784,23 р./год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Остриков, А.Н. Исследование коэффициентов внутреннего и внешнего трения плодов шиповника и боярышника при

сушке [Текст] / А.Н. Остриков, В.В. Концов // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 1. - С. 71-73.

2. Концов, В.В. Определение теплофизических характеристик плодов шиповника и боярышника [Текст] / В.В. Концов // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011. - № 8. - С. 75-77.

3. Остриков, А.Н. Исследование характера движения плодов шиповника в плотном пересыпающемся слое [Текст] / А Н. Остриков. В.В. Концов // Вестник Воронежской государственной технологической академии. - 2011. - № 1(47). - С. 54-58.

Патенты

4. Пат. 2352882 Российская Федерация, МПК7 F26B 17/04. Сушилка [Текст] / Остриков А.Н., Веретенников А.Н., Концов В.В., Синюков Д.А.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академия. - № 2007146094/06; заявл. 11.12.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.

5. Пат. 2428643 Российская Федерация, МПК7 F26B 17/04. Сушилка [Текст] / Остриков А.Н., Концов В.В.; заявитель и патентообладатель «Воронежская государственная технологическая академия». - № 2010119243/06; заявл. 13.05.2010; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.

6. Свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011610790 «Оптимизация конструктивных параметров транспортирующей ленты сушилки для создания пересыпающегося слоя высушенного продукта» [Текст] / Остриков

A.Н., Концов В.В., Посметьев В.В.; заявитель и патентообладатель «Воронежская государственная технологическая академия». - № 2010615646; заявл. 14.09.2010; зарегистр. 14.01.2011.

Статьи и тезисы

7. Остриков А.Н. Определение антиоксидантной активности плодов шиповника и боярышника [Текст] / А.Н. Остриков,

B.В. Концов // Образование, наука, практика: инновационный аспект: Сб. материалов международной научно-практ. конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 132-134.

8. Концов В.В. Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для сушки пищевого растительного сырья [Текст] / В.В. Концов, Ю.В. Складчикова // «Всероссийская науч-

ная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» [Текст]: / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2009. - С. 252256.

9. Концов В.В. Разработка ленточной сушилки для сушки продуктов в плотном пересыпающемся слое [Текст] / В.В. Концов, А.Н Остриков // Повышение качества и безопасности пищевых продуктов: сборник материалов Всероссийской научной конференции - Махачкала: ГОУВПО «ДГТУ», 2010. - С. 134137.

Ю.Острнков А.Н. Разработка комбинированного режима сушки шиповника и боярышника на основе дифференциально-термического анагиза [Текст] / А.Н. Остриков, Ю.В. Складчико-ва, В.В. Концов // Материалы ХЫХ отчетной научной конференции за 2010 год: В 3 ч. Ч. 2. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2011. - С. 45-46.

11 .Остриков, А.Н. Математическая модель процесса сушки плодов шиповника в плотном пересыпающемся слое [Текст] / А.Н Остриков, В.В. Концов // Материалы четвертой Международной научно-практ. конф. «Современные энергосберегающие технологии (Сушка и термовлажностная обработка материалов) - СЭТТ-2011», Москва, 2011.-Т. 1.-С. 176-179.

12.Остриков, А.Н. Исследование химического состава высушенных плодов боярышника [Текст] / А.Н Остриков, В.В. Концов // Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития: Материалы Междунар. научно-техн. конференции. - Воронеж: ВГУИТ, 2011. - С. 60-63.

Подписано в печать 13.02.2012. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 21

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

61 12-5/2072

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий

На правах рукописи

КОНЦОВ Виталий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ БОЯРЫШНИКА И ШИПОВНИКА В ПЛОТНОМ ПЕРЕСЫПАЮЩЕМСЯ СЛОЕ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор А. Н. Остриков

ВОРОНЕЖ-2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки плодов шиповника и боярышника.................................9

1.1. Комплексная оценка плодов шиповника и боярышника как объектов исследования.............................................9

1.2. Краткий обзор техники сушки плодов шиповника и боярышника......15

1.3. Анализ основных закономерностей при сушке зернистых материалов в плотном пересыпающемся слое......................................33

1.4. Анализ литературного обзора и задачи исследования................41

Глава 2. Исследование плодов шиповника и боярышника как объекта сушки..........................................................44

2.1. Исследование фрикционных свойств плодов шиповника и боярышника. .44

2.2. Исследование форм связи влаги в плодах шиповника и боярышника методом термического анализа.....................................46

2.3. Определение теплофизических характеристик плодов шиповника

и боярышника.....................................................51

Глава 3. Математическое моделирование процесса сушки шиповника в плотном пересыпающемся слое...................................56

3.1. Исследование характера движения плодов шиповника................56

3.2. Задание формы транспортирующего органа.........................58

3.3. Математическая модель тепло- и массопереноса процесса сушки плодов шиповника в плотном пересыпающемся слое....................59

3.4. Программная реализация модели..................................63

3.5. Распределение температуры и влажности плодов по длине конвейера.. .65

3.6. Оптимизация процесса перемешивания плодов......................69

3.6.1. Влияние толщины слоя шиповника...........................70

3.6.2. Влияние скорости транспортирующей ленты...................71

3.6.3. Влияние расстояния между первым и вторым роликами углубления ленты..........................................72

3.6.4. Влияние длины углубления ленты............................73

3.6.5. Влияние высоты углубления ленты...........................74

3.6.6. Влияние жесткости плода...................................75

3.6.7. Влияние коэффициента трения плода........... ................76

Глава 4. Исследование гидродинамики и кинетики процесса сушки плодов шиповника и боярышника...................................79

4.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований . . .79

4.2. Исследование кинетики процесса сушки плодов шиповника и боярышника.......................................................83

4.3. Разработка и обоснование выбора комбинированных режимов сушки

плодов боярышника и шиповника............... .......................89

Глава 5. Комплексная оценка качества плодов шиповника и

боярышника......................................................92

5.1 Определение антиоксидантной активности плодов шиповника и боярышника.......................................................92

5.2. Определение химического состава шиповника и боярышника..........97

5.3. Исследование безопасности плодов шиповника и боярышника........102

Глава 6. Разработка конструкций аппаратов для сушки

плодов шиповника и боярышника..................................103

6.1. Разработка конструкций аппаратов для сушки плодов

шиповника и боярышника...........................................103

6.1.1. Разработка сушилки с гибкой перфорированной лентой.........108

6.1.2. Разработка конструкции ленточной сушилки..................108

6.2. Эксергетический анализ процесса сушки плодов в конвективной сушилке.........................................................115

6.3. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования сушилки для боярышника и шиповника...............................125

6.3.1. Расчет капиталовложений..................................126

6.3.2. Расчет эксплуатационных затрат.............................128

6.3.3. Экономия текущих затрат при реализации проекта.............130

6.3.4. Расчет экономических показателей...........................131

Основные выводы и результаты..................................133

Литература.....................................................135

Приложение.....................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Одним из путей улучшения питания населения Российской Федерации является исследование локального дикорастущего сырья и его использование при производстве пищевых продуктов общего и функционального назначения. К такому сырью можно отнести плоды шиповника и боярышника, которые являются источником витаминов, минеральных веществ и пищевых волокон и других жизненно важных нутриентов, необходимых для нормального обеспечения обменных процессов.

Плоды шиповника и боярышника нашли широкое применение в медико-фармацевтических препаратах, в пищевой промышленности в качестве высушенных плодов или добавок.

В настоящее время потребность во фруктах и ягодах, необходимая для обеспечения населения Российской Федерации, оценивается в 11 млн. тонн, а среднегодовой сбор в стране составляет менее 4 млн. тонн или 36 % от потребности.

По данным экспертов россиянин потребляет примерно 34 кг фруктов при рекомендуемой норме около 100 кг в год. Среднестатистический американец потребляет 126 кг, австралиец - 135 кг, китаец - 50 кг. За 2009 год средняя российская статистическая семья тратила на приобретение фруктов 12-14 % семейного бюджета.

Российский рынок фруктов характеризуется устойчивой тенденцией к росту. Темпы увеличения объема рынка составляют примерно 15 % в год, преимущественно рост рынка осуществляется за счет увеличения импортных поставок фруктов. Основными факторами, влияющими на динамику рынка, выступают уровень цен на фрукты и благосостояние населения, как индикатор общей покупательской способности, а также факторы сезонности и качества фруктов. Сказывается возросшая культура питания и укрепляющаяся в России мода на здоровый образ жизни.

Актуальность работы. Витаминизированные добавки начались применяться в СССР с 1939 г, добавки витамина С из плодов шиповника добавлялись в муку для производства хлеба. На сегодняшний день ни у кого нет сомнений, что без компонентов, богатых витаминами, иммунитет человека будет ослаблен. Сушеные плоды шиповника и боярышника входят в состав компотов, микстур, ликеров, соусов, джемов и других видов продуктов.

Потребительские (органолептические) свойства сушеных плодов формируются в процессе сушки. Они обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве сушеных плодов шиповника и боярышника очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами.

На сегодняшний день сушка плодов шиповника и боярышника осуществляется на ленточных сушилках с ворошителем. Она сопряжена со значительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта, поэтому необходима разработка новых сушильных установок и технологий. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов и, как следствие, значительное повышение производительности труда, уменьшение количества отбракованной продукции и улучшение ее качества.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, Б.С. Сажина, Б.И. Леончика, Ю.А. Михайлова, О. Кришера, И.Т. Кретова, А.Н. Острикова и др.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) Воронежской государственной технологической академии (ВГТА) на 2010-2015 гг. «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» (№ гос. регистрации 0120.0

603139).

Цель диссертационной работы: научное обеспечение и разработка способа сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое для увеличения эффективности процесса при высоком качестве готовой продукции.

Научная новизна. Определен характер изменения коэффициентов внешнего и внутреннего трения плодов шиповника и боярышника при движении в плотном пересыпающемся слое в зависимости от влажности.

Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различными формами связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое при стационарных и комбинированных режимах.

Обоснована целесообразность использования комбинированных режимов для сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое в соответствии с формой связи удаляемой влаги.

Получена математическая модель процесса сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое, позволяющая рассчитать сред-необъемные значения влажности и температуры плодов.

Составлена компьютерная программа для определения режимов движения плодов шиповника для четырех форм гибкой перфорированной ленты. Выявлены рациональные конструктивные параметры ленты и режимы функционирования, обеспечивающие гарантированное перемешивание плодов.

Практическая ценность. Разработаны рациональные технологические параметры процесса сушки плодов шиповника и боярышника при комбинированном режиме сушки. Предложены оригинальные конструкции сушилок для сушки плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое.

Проведено комплексное исследование показателей качества плодов боярышника и шиповника, высушенных в плотном пересыпающемся слое при комбинированных режимах. Установлено, что плоды боярышника и шиповника обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокую пищевую и биологическую ценности.

Новизна технических решений защищена 2 патентами РФ, получено 1 свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2009 по 2010 гг.); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора А.Ф. Блинохва-това «Образование, наука, практика: инновационный аспект» (Пенза, 2008); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Воронеж, 2009); Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов» (Махачкала, 2010); четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии - СЭТТ-2011» (Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011).

Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки плодов шиповника и боярышника в плотном пересыпающемся слое, проведенных непосредственно автором под научным руководством заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора А.Н. Острикова.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ПЛОДОВ ШИПОВНИКА И БОЯРЫШНИКА

1.1. Комплексная оценка плодов шиповника и боярышника,

как объектов исследования

Боярышник (Crataegus L.) - род Боярышника семейства розоцветных [28, 76, 97].

Кустарники или невысокие деревья высотой в 3-5, иногда до 10-12 м. Крона часто асимметричная, шаровидной или яйцевидной формы (рис. 1.1). Ветви крепкие, прямые Рис. 1.1. Плоды боярышника (иногда несколько зигзагообразные). Однолетние побеги оливково-зеленые, иногда желтовато-зеленые, коричневатые, коричневато-пурпурные. Ветки блестящие. Молодые побеги редковолоси-стые, затем становятся голыми. Колючки сравнительно небольшие (0,6-4,0 см длиной, до 2 мм толщиной), немногочисленные, иногда отсутствуют.

Плоды обычно созревают в сентябре. Плоды яблокообразные, у боярышника колючего - эллипсовидной, яйцевидной, иногда почти шаровидной формы, до 12 мм длиной, красные или буровато-красные, с 2-3 косточками, съедобные, у боярышника кроваво-красного шаровидной или корогкоэллип-совидной формы, до 10 мм в диаметре, кроваво-красные, с мучнистой мякотью. Косточек 2-5 [35,71,100, 101].

Боярышник - неприхотливое, морозостойкое растение. Хорошо приживается даже на слабоокультуренных почвах, но не переносит близкого залегания уровня грунтовых вод и подтопления. Размножают его семенами и отводками поросли. Посев семян производят на глубину 2-3 см в питомниках размножения. Расстояние между рядками - 15-20 см. Через 2 года сеянцы высаживают на постоянное место. Хороший урожай плодов отмечается не каждый

год, что в основном связано с повреждаемостью цветков поздневесенними заморозками и плодов вредителями.

Различные виды боярышника распространены главным образом в Северной Америке. Из 1250 видов боярышника, произрастающих в зонах умеренного и субтропического климата, на долю Северной Америки приходится 1125. На территории России произрастают 74 дикорастущих вида боярышника и введено в культуру - 89 [11, 100, 101].

В качестве лекарственного сырья заготавливают цветки и плоды боярышника. Сушат цветки не позже, чем через 1-2 ч после сбора, в сушилках при температуре до 40 °С, на чердаках, под навесами или в помещениях с хорошей вентиляцией, разложив тонким слоем и периодически переворачивая. Срок годности цветков 2 года. Сырье имеет слабый своеобразный запах, горьковатый вкус.

Плоды заготавливают в период созревания с конца сентября и до заморозков. Зрелые плоды собирают в мешки или корзины, обрывая целиком щитки с плодами или отдельные плоды. Сушат их на солнце или в сушилках при температуре до 70 °С. При естественной сушке рассыпают по 4-5 кг пло-

л

дов боярышника на 1 м , Срок годности плодов до 8 лет. Высушенное сырье имеет иногда беловатый налет (выкристаллизовавшийся сахар). Вкус у сырья горький или слегка кисловато-сладковатый, запах слабый.

В плодах боярышника колючего содержатся урсоловая, олеаноловая, хлорогеновая и кофейная кислоты, гиперозид (гиперин), дубильные вещества, сорбит, холин, ацетилхолин, жирное масло и |3-ситостерин; в цветках - кофейная и хлорогеновая кислоты, гиперозид, кверцетин, ацетилхолин, холин.

Плоды боярышника кроваво-красного содержат восстанавливающих Сахаров до 5 %, сахарозы до 0,29 %; азотистых веществ 0,8-1,5 % и золы 1 %; витамины С до 38,3 мг%; каротина до 0,2 мг%; микроэлементы: калий, кальций, марганец, магний, железо. В семенах содержится жирное масло - до 7,4 % их сухой массы [16, 58, 59, 85, 92, 93].

Боярышники относятся к перспективным источникам Р-витаминов. Максимальное количество флавоноидов, входящих в состав Р-витаминного комплекса, накапливается в зеленых листьях боярышников (4-5 % для боярышника кроваво-красного), они сохраняются и в опавших листьях. Основная часть флавоноидов приходится на гиперин.

В медицинской практике разрешено также применение цветков боярышника колючего (Crataegus oxyacantha L.). Он отличается наличием на побегах длинных колючек (до 25 см), 3-5 неглубоколопастными цельнокрайни-ми листьями. Плоды содержат по одной косточке. Отсутствует войлочное опушение на листьях и цветоносах. Широко используется в медицине и боярышник пяти пестичный (Grataegus pentagyna), который отличается от других видов черными плодами с сизым налетом и менее развитой мякотью.

Препараты боярышника применяют при функциональных расстройствах сердечной деятельности, при гипертонической болезни, стенокардии, антигионеврозах, мерцательной аритмии, пароксизмальной тахикардии, общем атеросклерозе, климактерическом неврозе, при повышенной функции щитовидной железы.

В народной медицине настой из цветков и сок используют при бессоннице, гипертонической болезни, в климактерическом периоде, а настойка -при кардионеврозах, гипертонической болезни, при неврозах пищевода, заболеваниях кожи, печени и желчевыводящих путей, функциональных расстройствах сердечной деятельности, ангионеврозах, мерцательной аритмии, головокружении, одышке, бессоннице, в климактерическом периоде.

В народной медицине настой из плодов применяют при гипертонической болезни, вегетоневрозах, головокружении, удушье, в климактерическом периоде.

Шиповник (Rosa L.) - относится к семейству розоцветных - Rosaceae, подсемейства - Rosoideae [20, 28, 35, 76, 97, 101].

Колючий кустарник высотой до 2 м. Ветви тонкие, блестящие, коричне-

во-красные, с немногочисленными небольшими, несколько изогнутыми шипами, сидящими обычно по 2 у основания листьев (рис. 1.2).

ровидные или яйцевидные, гладкие, голые, оранжевые или красные, мясистые, содержат многочисленные плодики (орешки). Внутренн