автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса сушки яблочных выжимок и их применение в энергоэффективной технологии порошкообразного холинхлорида

На правах рукописи

КОСТИНА Евгения Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЯБЛОЧНЫХ ВЫЖИМОК И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКООБРАЗНОГО ХОЛИНХЛОРИДА

Специальности:

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Воронеж-2013

005541436

005541436

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научные руководители: заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

кандидат технических наук, доцент Драншисов Алексей Викторович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет шксенсрных технологий»)

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

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

кандидат технических наук 'Груиова Любовь Анатольевна (ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности), ведущий научный сотрудник отдела комбикормов и добавок

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013года в II30 часов в конференц-зале на заседании совета по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы об автореферате (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат размещён в сети интернет на официальных сайтах: Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://wvvw.vsuet.ru «22» ноября 2013г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «22» ноября 2013 года.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций

на соискание ученой степени кандидата наук, .

на соискание ученой степени доктора наук, у I

д. т. н„ профессор Г.В.Калашников

Актуальность работы. На предприятиях Российской Федерации по переработке плодоовощного сырья ежегодно перерабатываются сотни тысяч тонн яблок. В результате образуется около 15...20 % выжимок, которые богаты питательными веществами (пектином и углеводами), витамином С и минеральными веществами. Однако выжимки после прессования имеют достаточно высокую влажность (60...70 %), что значительно снижает эффективность их использования в качестве ценного кормового сырья или в качестве наполнителя при производстве биологически активных добавок, применяемых при организации полноценного кормления различных видов и возрастных групп сельскохозяйственных животных и птицы. К таким добавкам следует отнести порошкообразный холинхло-рид (витамин В4), который служит источником метальных групп, необходимых для происходящих в организме биохимических процессов, а также входит в состав фосфолипида лецитина, предупреждающего развитие стеатоза печени, геморрагической дегенерации почек и распада зобной железы животных. Использование в кормопроизводстве жидкого холин-хлорида связано с технологическими трудностями его хранения, транспортировки и ввода в премикс, так как он неравномерно распределяется по объему смеси, что может привести к передозировке и гибели животных и птицы, поэтому все предприятия по производству премиксов перешли на применение сухих препаратов.

В настоящее время в промышленных масштабах сушку яблочных выжимок осуществляют в барабанных сушильных установках смесью воздуха и топочных газов при высоких температурах (более 300 °С) или на ленточных сушилках теплым воздухом в щадящих режимах (50...90°С), но с продолжительностью 4...5 часов.

В связи с этим актуальной представляется разработка способа сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления (30... 100 кПа) в активных гидродинамических режимах, позволяющих значительно интенсифицировать процесс и получить сухие выжимки высокого качества, которые в дальнейшем можно использовать как ценный кормовой продукт и наполнитель при производстве порошкообразного холинхлорида.

Значительный вклад в развитие теории сушки дисперсных материалов перегретым паром внесли такие ученые как: Лыков A.B., Михайлов Ю.А., Леончик Б.И., Кретов И.Т., Остриков А.Н., Кравченко В.М., Andersson V., Valentin Р. и др.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и тех-

НИКИ», в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013» годы по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Цель диссертационной работы: расширение ассортимента витаминных кормовых добавок на основе создания энергоэффективной технологии получения порошкообразного холинхлорида при использовании в качестве наполнителя сухих яблочных выжимок, высушенных перегретым паром пониженного давления.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучение яблочных выжимок как объектов исследования: определение физико-механических, структурных, химических и теплофизи-ческих характеристик, исследование формы связи влаги в выжимках и выявление температурных зон, соответствующих испарению влаги с различной формой связи;

- анализ основных гидродинамических и кинетических закономерностей процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления;

- исследование процесса теплообмена при сушке яблочных выжимок с последующим получением критериальных уравнений;

- выявление и обоснование рациональных режимов процесса сушки выжимок перегретым паром пониженного давления;

- разработка технологии порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок;

- изучение основных показателей качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе;

- определение рациональных условий хранения порошкообразного холинхлорида методами математической статистики;

- разработка сушильной установки с комбинированным энергоподводом для получения сухих яблочных выжимок;

- анализ энергетической эффективности и технико-экономическая оценка предлагаемых технических и технологических решений;

- проведение промышленной апробации полученных результатов работы.

Научная новизна. Обоснована возможность и перспективность применения перегретого пара пониженного давления для сушки яблочных выжимок в активных гидродинамических режимах. Определены основные кинетические и гидродинамические закономерности процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления.

Методом дифференциально-термического анализа установлены формы связи влаги в яблочных выжимках и выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи. Получены критериальные уравнения, описывающие теплообмен при сушке яблочных выжимок.

Научно обоснована технология порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок. Разработана статистическая модель хранения порошкообразного холинхлорида в широком интервале изменения входных факторов.

Практическая ценность. Разработан способ сушки высоковлажных дисперсных материалов и установка для его осуществления (пат. РФ № 2422053).

Определены рациональные режимы проведения процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления: температура, давление, скорость перегретого пара в сушильной камере соответственно: 107... 115 °С, 60...70 кПа, 1,5...2,5 м/с; удельная нагрузка яблочных выжимок на газораспределительную решетку 8... 13 кг/м2.

Предложена установка для сушки дисперсных высоковлажных материалов (пат. РФ № 2478889), позволяющая интенсифицировать процесс сушки при сохранении высокого качества готового продукта.

Разработан способ получения сыпучей формы холинхлорида из его водного раствора (пат. РФ № 2486773) при использовании сухих яблочных выжимок в качестве наполнителя. Проведено комплексное исследование основных показателей качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе.

Определены рациональные условия хранения порошкообразного холинхлорида: массовая доля холинхлорида 45...50 %; температура, расход и относительная влажность окружающего воздуха в помещении соответственно: 11...16 °С, 7...11 м3/(ч т), 35...40 %. В производственных условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» проведены испытания по хранению порошкообразного холинхлорида при рациональных режимных параметрах.

В производственных условиях ЗАО «Курский Агрохолдинг» определена эффективность скармливания цыплятам-бройлерам комбикормов с вводом премиксов, содержащих порошкообразный холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчётных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2010 - 2013);

III Всероссийской научно - практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2009); Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов» (Махачкала, 2010); Всероссийской научно - практической конференции «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронеж, 2011); Международной научно - технической интернет - конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (Воронеж, 2011); Республиканской конференции молодых ученых «Наука. Образование. Молодежь» (Алматы, 2012); I Международной научно - практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности» (Краснодар, 2012); III Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2013).

Результаты работы отмечены дипломами участника выставки Воронежского агропромышленного форума (2009), VII Межрегионального экономического форума «Воронежская область - ваш партнер» (2010),

IV агропромышленной выставки «Агросезон» (2010) и золотой медалью участника выставки «ВоронежАгро» (2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 17 таблиц. Список литературы включает 125 наименований, в том числе 15 зарубежных. Приложения к диссертации представлены на 23 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе представлены основные сведения о получении и использовании яблочных выжимок; дан краткий анализ современного состояния техники и технологии сушки высоковлажных дисперсных материалов; изложены особенности тепло- и массообмена при сушке материалов в среде перегретого пара пониженного давления и приведены основные характеристики холинхлорида как кормовой витаминной добавки. Сформулированы цель работы и определены задачи ее решения.

Во второй главе изложены методики проведения и результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических, структурных, химических и теплофизических характеристик яблочных выжимок как объекта сушки.

Физико-механические свойства яблочных выжимок были определены в интервалах влажности IV = 11 ...65 %. Установлено, что с увеличением влажности угол естественного откоса, коэффициенты внутреннего и внешнего трения возрастают. В результате математической обработки экспериментальных данных были получены уравнения:

а = 30 + 0,3 IV]= 0,06(^51;/.н = 0,022^' (1)

Исследование внутрипористой структуры влажных и сухих яблочных выжимок проводилось с помощью растровой электронной микроскопии с увеличением 100, 200 и 400. Анализ микрофотографий показал, что структура яблочных выжимок представляет собой в основном совокупность макрокапилляров, поэтому они достаточно легко поддаются сушке, и не требуют значительных дополнительных затрат на преодоление энергии связи влаги с материалом.

Определение минерального, витаминного и аминокислотного состава влажных яблочных выжимок (IV = 63 %) осуществляли на жидкостном хроматографе НР 3900 МХЬ. Высокое содержание витамина С, калия, натрия, углеводов, наличие незаменимых аминокислот, а также содержание пектина в количестве 2 %, позволяет рассматривать яблочные выжимки как ценное кормовое сырье и использовать их в качестве наполнителя при получении кормовых добавок.

Теплофизические характеристики яблочных выжимок с влажностью 63 % получены на установке для определения теплофизических и реологических характеристик Сом^/еМ ИТ-1394Н в интервале температур 20...80 °С. Эти данные были использованы при изучении кинетических закономерностей и теплообмена в процессе сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления.

Исследование теплового воздействия на влажные яблочные выжимки осуществляли методом термического анализа на термоанапйза-торе ТСА-ОБС фирмы МеИ1ег-То1ес!о в воздухе с постоянной скоростью нагрева 3°С /мин. Установлено (рис. 1), что при температурах 50...76 °С (участок 1) происходит нагрев и удаление физико-механически связанной влаги, имеющей невысокую энергию связи с продуктом. При температурах 76... 108 °С (участок 2) осуществляется десорбция осмотической влаги, а интервал 108... 140 °С (участок 3) характеризуется удалением адсорбционно связанной влаги.

Рис. I. Зависимость -/#« от величины 103/Г исследуемых яблочных выжимок при нагревании со скоростью подъема температуры 3°С /мин

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований гидродинамики и кинетики процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления в активных гидродинамических режимах. Исследования проводились на экспериментальной сушильной установке (рис. 2).

Рис. 2 Схема экспериментальной сушильной установки: 1 - вентилятор среднего давления СВТ-80Ы; 2 - парогенератор; 3 - сушильная камера; 4 - газораспределительная решетка; 5 - камерная диафрагма ДКС 0,6-80; 6 - шток; 7 - устройство для загрузки материала; 8 - рециркуляционный трубопровод; 9 - вакуумметр ТВ-6; 10 -конденсатор; 11 - сборник конденсата; 12 - ресивер; 13 - водокольцевой вакуум-насос ВВН 1-0,75; 14 - щит управления; 15 - измеритель-регулятор температуры ОВЕН 2ТРМ1; 16 - хромель-капелевые термопары; 17 - манометры типа ТНМП-52; 18 - окно разгрузки; 19 - заслонка

На рис. 3 показаны кривые псевдоожижения яблочных выжимок, продуваемых перегретым паром пониженного давления (/"=60 кПа).

Рис. 3. Кривые псевдоожижения яблочных выжимок при различных удельных нагрузках материала на газораспределительную решетку

С возрастанием удельной нагрузки яблочных выжимок на решетку наблюдается увеличение максимального перепада давления теплоносителя в слое до 80 Па и увеличение скорости начала псевдоожижения до 2,3 м/с. Эти данные были использованы для определения оптимальных режимов процесса сушки и разработки сушильных установок.

Исследование кинетики процесса сушки яблочных выжимок проводилось в стационарном режиме в следующем интервале изменения значений параметров процесса: температура перегретого пара на входе в сушильную камеру /,. = 100... 140 °С; разряжение и скорость перегретого пара в сушильной камерерп = 30... 100 кПа, оп= 1...3 м/с; начальная удельная нагрузка материала на решетку = 2,5...20 кг/м2; начальная влажность яблочных выжимок составляла IV =70 %. Так как частицы яблочных выжимок имеют высокую начальную влажность и неоднородный дисперсный состав, то они склонны к комкованию. Поэтому, чтобы обеспечить устойчивое псевдоожиженное состояние материала в сушильной камере в процессе сушки газораспределительная решетка через шток 6 (рис. 2) вручную приводилась в колебательное движение с интервалом в одну минуту в течение трех секунд. При этом шток перемещался в двух термоустойчивых уплотнителях без нарушения герметичности сушильной камеры 3.

Анализ кинетических кривых (рис. 4 и 5) показывает, что при сушке яблочных выжимок наблюдаются периоды постоянной и убывающей скорости сушки. При этом около 80 % массы влаги, от ее общего количества, удаляется в первый период. Это обусловлено развитой пористой структурой яблочных выжимок. Частицы материала прогреваются до постоянной температуры очень быстро вследствие того, что сушка осуществляется в активных гидродинамических режимах при высоких коэффициентах теплообмена (рис. 46 и 56).

а) б)

Рис. 4. Кривые сушки и скорости сушки яблочных выжимок (а); температурные кривые яблочных выжимок (б) при различных температурах перегретого пара (°С): 1 - 100, 2 - 120, 3 - 140; р„ = 60 кПа; и„ = 2 м/с; дт = 5 кг/м

а) б)

Рис. 5. Кривые сушки и скорости сушки яблочных выжимок (а); температурные кривые яблочных выжимок (б) при различных давлениях перегретого пара (кПа): 1 - 100, 2 - 80, 3 - 50, 4 - 30; <„ = 120 °С; = 5 кг/м

В результате математической обработки кинетических закономерностей были получены критериальные уравнения (2) и (3), описывающие процесс теплообмена между материалом и сушильным агентом. Для периода постоянной скорости сушки:

Ыи= /?е°'15(<п/О0'22«°'26(РпФетмУ0'23 ■ (2)

Для периода убывающей скорости сушки:

т,= пик)'-23. (3)

Определение продолжительности процесса сушки является важной задачей, решение которой позволяет провести необходимые конструктивные расчеты при проектировании сушильных установок.

Продолжительность процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления осуществляли с помощью метода обобщения экспериментальных данных при различных режимных параметрах. Указанный метод основан на том, что при одной и той же начальной влажности материала IV,,, экспериментальные кинетические кривые практически совмещаются в единую кривую, называемую обобщенной кривой кинетики сушки.

Это позволило представить кинетику процесса в первом периоде при различных режимных параметрах уравнением следующего вида:

IV- И',,-Л',г,. (4)

Следовательно, продолжительность процесса в этом периоде:

^(Гн-И^.УМ (5)

Для яблочных выжимок с IV,, = 70 % первая критическая влажность составляет 25 %.

Кривая сушки во втором периоде, построенная в полулогарифмической анаморфозе ^(Ж- 1¥р) =у(Д'1г), аппроксимируется ломаной линией, состоящей из двух прямых, пересекающихся в точке, соответствующей второй критической влажности 1Укр2 = 18 %. Уравнения этих прямых имеют вид:

IV- И'р = (25 - (Кр)ехр(-2,ЗА'1 г,), (6)

IV- 1Ур = (18 - 1¥р)вхр(-2,3 К2т2). (7)

Коэффициенты К1 и К2 были представлены уравнениями:

^=Х^иК2 = Х2И1. (8)

Влияние режимных параметров на коэффициенты сушки и К2 определяется величиной N1. Это ВОЗМОЖНО потому, ЧТО ЛГ! является обобщенной величиной, в которой отражено влияние всех параметров, воздействующих на скорость сушки данного материала, и, что очень существенно, это влияние распространяется на весь второй период.

В результате математической обработки экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость для определения скорости сушки яблочных выжимок в первом периоде:

^=0,007(9)

Величины ^кр, и 1Укр2, входящие в уравнения (6) и (7), при изменении режима сушки яблочных выжимок меняются незначительно, в связи с чем этим изменением можно пренебречь.

В уравнении (8) и Хг - величины, зависящие от свойств материала, его начальной влажности и метода сушки, но не зависящие ог режимов сушки. В результате математической обработки опытных данных для яблочных выжимок, высушенных перегретым паром пониженного давления в активном гидродинамическом слое с = 70 % получены следующие значения относительных коэффициентов сушки: 0,018; = 0,017.

Входящую в уравнения (6), (7) и (8) равновесную влажность материала 1¥р принимали равной нулю, так как в проведенных опытах > Ю0 °С. Общая продолжительность процесса сушки г^ принималась равной продолжительности сушки в первом периоде т, и продолжительности сушки в 1-й п и 2-й т2 частях второго периода. Длительность периода прогрева не учитывалась, исходя из того, что данный период на экспериментальных кривых сушки (рнс. 4, 5) не наблюдался.

Разрешив уравнения (6), (7) относительно г и воспользовавшись выражением (5), получили уравнение для расчета общей продолжительности процесса:

Анализ экспериментальных данных для разной начальных влажности яблочных выжимок позволил определить критические значения влажности и относительные коэффициенты сушки: при ЪУН = 60 % = 20 %, = 15 %, Х, = 0,023; Хг = 0,022; при IV» = 50 % И%, = 15 %, \¥кр2 = 12 = 0,033; /2 = 0,032.

Формулы (2), (3) и (10) справедливы при следующих интервалах изменения режимных параметров: („ = 100...140 °С; р„ = 30...100 кПа, ип = 1...3 м/с; = 2,5...20 кг/м2. Среднеквадратичное отклонение расчетных данных от опытных не превышало 11,7 %.

Для определения рациональных интервалов процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления в активных гидродинамических режимах, было применено центральное композиционное рототабельное униформ-планирование с полным факторным экспериментом ПФЭ 2 .

В качестве основных факторов, влияющих на процесс сушки яблочных выжимок, были выбраны: Х> - температура перегретого пара на входе в сушильную камеру, °С; Хг - давление перегретого пара в сушильной камере, кПа; Хъ - скорость перегретого пара в сушильной ка-

(10)

мере, м/с; Хц — начальная удельная нагрузка яблочных выжимок на газораспределительную решетку, кг/м2. Все эти факторы совместимы и некоррелируемы между собой.

Выбор интервалов изменения входных факторов обусловлен технологическими условиями процесса сушки яблочных выжимок, возможностью уноса частиц материала из сушильной камеры, а также тех-нико-экономнчсскими показателями процесса. Критериями оценки влияния входных факторов на процесс были выбраны: К, - удельные энергозатраты, на 1 кг испаренной влаги, кВтч/кг; У2 — влагонапряжение сушильной камеры, кг/(м3 с). Выбор критериев оценки У обусловлен их наибольшей значимостью для процесса сушки яблочных выжимок.

В результате математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов:

7] = 1Д02А'о + 0,205Л'] + 0,12Х2 + ОДЗА'3 + 0,12Х4 + 0,022X^2 + + 0,014АГ,А'3 +0,025X^4 +0,0и'2А'з + 0,028Х2А'4 +0,015Л'3А4 . (11) + 0,029А',2 + 0,007Х2 + 0,009А'| + 0,002А'42

У2 = 0,798А0 + 0,209Х[ + 0,137Х2 + 0Д47А'3 + 0,002А'4 + 0,001 А', А'2 + -+ 0,003^^3 +0,008^X4 -0,001Х2Х3 +0,012Х2Х4 + 0,001Х3Х4 + (12)

+ 0,030А',2 + 0,012А'| + 0,014А'з >0,006А'|

Задача оптимизации сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы сушилки, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров процесса сушки составляли минимум удельных энергозатрат и максимум влагонапряжеиия сушильной камеры.

В результате были получены рациональные режимы проведения процесса сушки яблочных выжимок: Хх = 115... 107 "С; Х2 = 60...70 кПа; А'з = 1,5...2,5 м/с; Х4 = 8... 13 кг/м2.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований общего химического, минерального, аминокислотного и витаминного состава сухих яблочных выжимок высушенных перегретым паром пониженного давления (табл. 1). Тяжелых металлов и пестицидов в их составе не обнаружено.

Образцы порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок были получены по разработанной энергоэффективной технологии (пат. РФ № 2486773).

Изучены физико-механические свойства полученного порошкообразного холинхлорида (табл. 2).

Таблица І

Состав сухих яблочных выжимок __

Показатели Ед. изм. Результаты измерении Показатели Ед. ІПМ. Результаты измерений

Общий хм иический состав Аминокислотный состав (незаменимые)

Общая влага % 7,97 ± 0,50 Валин мг/100 г 15,72 ±0,02

Массовая доля белка % 1,81 ±0,04 Изолейцин мг/100 г "

Массовая доля пектина % 4,85 ± 0,04 Лейцин мг/100 г 5,35 ± 0,04

Углеводы: % 83,80 ± 0,04 Лизин мг/100 г 52,79 ± 0,02

в т. ч. фруктоза % 31,89 ±0,02 Метионин + цистин мг/100 г 29,47 ± 0,04

Зола % 1,57 ±0,04 Треонин мг/100 г -

Минеральный состав Фенилаланин + тирозин мг/100 г 17,05 ±0,04

Натрий (Ыа) мг 42,78 ± 0,02 Витаминный сост ав

Калий(К) мг 357,02 ± 0,04 Тиамин (В|) мг% 0,03 ± 0,005

Кальций (Са) мг 30,73 ± 0,04 Рибофлавин (Вг) мг% 0,019 ±0,005

Магний (Мз) мг 17,42 ±0,02 Витамин Н мг% -

Железо (Ре) мг 3,78 ± 0,04 Витамин С мг% 9,8 ± 0,2

Фосфор (Р) мг 22,57 ±0,04 Ниацнн (РР) мг% 0,034 ± 0,005

Таблица 2

Физико-механические свойства порошкообразного холинхлорида

Время хранения, ч

<р, % 8 1 24 48 108

Равновесная влажность, %

30 10,1 11,1 11,9 12,4

50 12,2 13,1 16,5 18,7

60 13,6 15,2 18,6 20,0

70 18,1 19,1 20,5 20,9

Угол естественного откоса, град

30 35 40 44 46

40 38 42 47 49

50 41 46 50 52

60 43 48 51 54

70 45 50 52 57

Состояние

30 сыпучий сыпучий сыпучий скомковав-шийся

40 сыпучий сыпучий скомковав-шийся скомковав-шийся

50 сыпучий скомковав-шийся слежавшийся слежавшийся

60 скомковав-шийся скомковав-шийся слежавшийся слежавшийся

70 слежавшийся слежавшийся слежавшийся слежавшийся

Крупность: остаток на сите № 2, г

30 0,061 0,180 0,131 10,700

40 0,130 0,190 12,090 22,800

50 0,290 10,63 71,530 73,030

60 13,120 13,550 72,090 73,850

70 70,470 70,970 72,110 74,780

Крупность: остаток на сите № I, г

30 20,780 20,290 20,740 70,870

40 20,790 20,560 72,400 76,070

50 20,375 70,810 21,880 23,010

60 75,530 78,420 22,910 23,620

70 22,960 24,680 23,020 24,600

Крупность: остаток на сите ЛЬ 08, г

30 79,159 79,530 79,129 18,430

40 79,080 79,250 15,510 1,130

50 79,335 18,560 6,59 3,960

60 13,350 8,030 5,000 2,530

70 6,570 4,350 4,870 0,620

Данные по изменениям физико-механических свойств порошкообразного холинхлорида при различной относительной влажности воздуха и продолжительности хранения могут быть использованы при разработке рецептов получения премиксов и полнорационных комбикормов.

В связи с высокой гигроскопичностью полученного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок решена задача по определению рациональных режимных параметров его хранения. Для этого было применено экспериментально-статистическое исследование процесса хранения порошкообразного холинхлорида в складских условиях при следующих входных факторах: Х\ - массовая доля холинхлорида, г/кг; Х2 — температура окружающего воздуха в помещении, °С; Х3 — расход воздуха на поддержание необходимых условий в помещении при хранении, м3/(ч-т); ХЛ - относительная влажность воздуха при хранении, %.

Критериями оценки влияния входных факторов на процесс хранения порошкообразного холинхлорида были выбраны: Г, - удельные энергозатраты на хранение, (кВт -ч)/т; У2 - содержание витамина С в порошкообразном холинхлориде, %.

При обработке результатов эксперимента получены уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов:

Г, = 3,209 +0,046л'! + 0,155 Х2 + 0,197Х3 + 0,182Х4 + 0,001Х[Х2 +

+ 0,005ХИГ3 -0,004А'|А'4 +0,001Л'2Х4 + (13)

+ 0,01IX,2 + 0,022Х\ + 0,021Л'32 + 0,02А'|

У2 = 4,3 - 0.229Х, + 0,079А'2 + 0,496Х3 - 0,688Х4 - 0,29АХ{Х2 + + 0,356Л',Л'3 -0,019X^-4-0,006Х2Х3 -0,381Х2Х4 +0,069Х3Х4 - (14) -0.493Х,2 -0,268Х| -0,218X3 -0,568х|

В результате решения задачи оптимизации определены рациональные режимы хранения порошкообразного холинхлорида: Х\= 45...50 %; Х2= 11...16 °С; Х3= 7...11 м3/(ч-т); Х4= 35...40 %.

Представлен характер изменения критериев оптимизации Гь У2 относительно массовой доли холинхлорида (с) и расхода воздуха (2) при хранении (рис. 6), а также относительной влажности воздуха (<р) и температуры окружающего воздуха (/в03д) в помещении (рис. 7).

Рис. 6. Номограмма для определения Рис. 7. Номограмма для определения удельных энергозатрат (К,) и содер- удельных энергозатрат (У0 и содержания витамина С (У2) при хранении: жания витамина С (У2) при хранении: иа= 18°С; ¡р = 50 % с= 50%; &03я = 10 м3/(ч-т)

Эти зависимости несут смысл номограмм и могут быть использованы в практических расчетах при хранении порошкообразного холинхлорида.

В ЗАО «Курский Агрохолдинг» проведены производственные испытания по скармливанию цыплятам-бройлерам комбикормов рецептов ПК-5 и ПК-6 содержащих в своем составе премикс с порошкообразным холинхлоридом на основе сухих яблочных выжимок. Результаты исследований, представленные в табл. 3, показали, что эффективность скармливания комбикорма была выше в опытной группе.

Таблица 3

Эффективность использования цыплятами-бройлерами комбикормов, включающих премикс с содержанием порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимках

Показатели Группы

контрольная опытная

Сохранность, % 95,0 100

Живая масса, г

на 6 день 197,30 201,45

на 10 день 238,32 245,47

на 28 день 1201,8 1254,50

на 42 день 1944,4 1997,10

Среднесуточный прирост живой массы, г 38,94 40,04

Затраты корма на Прирост живой массы, кг 1,76 1,67

В результате проведённых производственных испытаний установлено, что среднесуточный привес цыплят-бройлеров в опытной группе на 3...5 % выше, чем в контрольной. В течение всего периода скармливания обеспечена полная сохранность птицы в опытной группе.

В пятой главе представлен способ сушки высоковлажных дисперсных материалов и установка для его осуществления (пат. РФ № 2422053), реализующие сушку в три этапа (предварительная сушка при разряжении 30 кПа, сушка перегретым паром атмосферного давления и окончательная сушка при давлении 30 кПа). В результате этого процесс происходит в экологически безопасном и энергетически эффективном режиме с получением готового продукта высокого качества.

Предложена оригинальная конструкция сушильной установки с комбинированным энергоподводом для сушки яблочных выжимок (пат. РФ № 2478889), позволяющая проводить сушку при пониженном давлении перегретого пара и получать высококачественный продукт, без снижения интенсивности проведения процесса (рис. 8). В предложенной установке теплота отработанного перегретого пара атмосферного давления является греющим паром для перегрева пара пониженного давления.

Разработана технология порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок (пат. РФ № 2486773), обеспечивающая высокую энергетическую эффективность вследствие максимальной рекуперации отработанных теплоносителей и сохранность витамина В4 в готовом продукте за счет проведения процесса сушки в щадящих режимах (рис. 9).

Рис. 8. 1 - камера виброкипящего слоя; 2 - камера кипящего слоя; 3 - вибрирующая решетка; 4 - наклонная решетка; 5, 6, 7 - загрузочное, передающее и разгрузочное устройства; 8 - вибратор; 9, 10 - регулирующие заслонки; 11, 22 - делитель потоков отработанного пара атмосферного и пониженного давления, 12, 23 - циркуляционные короба; 13 - отводящий канал камеры виброкипящего слоя; 14, 15 -пароперегреватели пара пониженного и атмосферного давления; 16, 17 - вентилятор для пара атмосферного и пониженного давления; 18, 20 - патрубок подвода перегретого пара атмосферного и пониженного давления; 19, 21 - патрубок отвода отработанного перегретого пара атмосферного и пониженного давления

і Влажные дыжимки

^ »Конденсат

Рис 9. Способ получения порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок: 1 - двухсекционная сушилка; 2 - секция сушки перегретым паром атмосферного давления; 3 - секция сушки перегретым паром погашенного давления; 4, 5 -делители потоков; 6, 7 - пароперегреватели: 8, 9, 11 - вентиляторы; 10 - конденсатор; 12 - калорифер; 13 - дробилка; 14 - просеиватель; 15 - смеситель; 16 - форсунки; 17 -сушилка; 18 - циклон. 19- нагреватель, 20 - насос

Особенностью способа сушки яблочных выжимок является использование в качестве сушильного агента перегретого пара, а для сушки порошкообразного холинхлорида - теплого воздуха с температурой не превышающей 65.. .70 °С.

Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления, предусматривающего использование пароэжекторной холодильной машины (ПЭХМ) и барометрического конденсатора для создания разряжения в сушилке. Для сравнения термодинамической эффективности был проведен эксергетический анализ конвективной сушки выжимок в ленточной сушилке теплым воздухом. В соответствии с методикой В.М. Бродянского, способ сушки рассматривался в виде отдельных контрольных поверхностей. Эксергия потоков и эксергетические потери составили эксергетический баланс процесса сушки, представленный диаграммой Грассмана-Шаргута (рис. 10).

Еп,=6,50% Р|г3,09%і Д

-э г----—¡х-

Рис. 10. Эксергетическая диаграмма способа сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления. Контрольные поверхности: I - сушильная камера; II - барометрический конденсатор: III - конденсатор - пароперегреватель; IV - пароэжекторная холодильная машина (ПЭХМ); V - эжектор ПЭХМ; VI - парогенератор

Полученный эксергетический КПД равен 9,43 % (табл. 4), что выше, чем при использовании традиционного метода сушки на 5,73 %, это свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы вследствие использования рециркуляции по материальным и энергетическим потокам.

Таблица 4

Эксергетический баланс способа сушки яблочных выжимок _перегретым паром пониженного давления

8. і

пі

IV

Подвод зксергии

Наименование

Влажный продукт

Вибропривод

Привод насоса

Привод вентилятора Привод насоса

Е", Е'[

Е'п

1>

1« §*

с и

§ і

о »с

Ю и

< я

о

18000

I I

о.

Отвод и потери зксергии

Наименование

0

20,78

8640

20160 3820

Внутренние потери Внешние потери Сухой (готовый) продукт

9,97

Внутренние потери Внешние потери (неконденсирующиеся газы) Конденсат_

23,27 4,41

Внутренние потери Внешние потери

Внутренние потери

О'г

VI Еш

ІЗ'п О",,

ЕП2

О'ш Осш

И>

< се

14170 3437 5632

2673 1684 2541

12832 3632

7708

і 3 2 и О.

16,36 3,97 6,50

3,09 1,94 2,93

14,81 4,19

!,90

Внутренние потери

VI

ТЭНы

Е\г|

36000

ИТОГ О:

41,56 86620 I 100

Внутренние потери Внешние потери

Эксергетический КПД

,„ = 9,43%

16216

18,72

13489 2606

15,57 3,01

86620

100

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложена технология производства комбикормов, включающая участок получения сухих яблочных выжимок с использованием сушилки (пат. РФ № 2478889) и участок получения порошкообразного холинхлорида (пат. РФ № 2486773). Особенностью данной технологии является частичная замена зернового сырья (до 15 %) сухими яблочными выжимками и использование премиксов, содержащих порошкообразный холинхлорид на их основе. Предложенная линия позволяет вырабатывать комбикорма по известным рецептам для крупного рогатого скота, свиней, овец и сельскохозяйственной птицы.

Ожидаемый годовой экономический эффект от промышленного внедрения предлагаемых технологических решений и реализации продукции составит 7468,1 тыс. руб. в год.

Основные выводы и результаты

1. Разработана и научно обоснована технология получения порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок в производстве полнорационных комбикормов для различных видов сельскохозяйственных животных и птицы.

2. Показана возможность и перспективность применения перегретого пара пониженного давления для сушки яблочных выжимок в активных гидродинамических режимах.

3. Изучены образцы яблочных выжимок как объектов исследования. Установлено, что с увеличением влажности выжимок с 11 % до 65 % угол естественного откоса, коэффициенты внутреннего и внешнего трения возрастают. Методом обработки микрофотографий частиц материала получена информация о том, что выжимки обладают развитой структурой и поэтому достаточно легко поддаются сушке. Экспериментальные исследования минерального, витаминного и аминокислотного состава яблочных выжимок (IV = 63 %) показали, что они представляют собой ценное кормовое сырье и могут быть использованы в качестве наполнителя при производстве кормовых витаминных добавок.

4. Установлены основные гидродинамические и кинетические закономерности процесса сушки выжимок перегретым паром пониженного давления с обоснованием рациональных режимов проведения процесса: /„ = 107... 115 °С; р„ = 60... 70 кПа; оп = 1,5.. .2,5 м/с; дуа = 8... 13 кг/м2.

5. Выявлено влияние режимных параметров процесса сушки на коэффициент теплообмена и получены критериальные уравнения, описывающие процесс теплообмена при сушке яблочных выжимок перегретым паром в периоде постоянной и убывающей скорости сушки.

6. Изучены основные показатели качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе.

7. Методами математической статистики получены рациональные режимы хранения порошкообразного холинхлорида. Массовая доля холинхлорида 45...50 %; температура окружающего воздуха в помещении 11... 16 °С; расход воздуха в помещении при хранении 7... 11 м3/(чт); относительная влажность воздуха при хранении 35...40 %.

8. Разработана сушильная установка с комбинированным энергоподводом (пат. РФ № 2478889), позволяющая проводить сушку яблочных выжимок при пониженном давлении перегретого пара и получать качественный продукт, без снижения интенсивности проведения процесса.

9. Проведен эксергетический анализ способа сушки выжимок перегретым паром пониженного давления. Эксергетический КПД равен 9,7 %, что выше, чем при использовании ленточной сушилки на 5,73 %.

10. В условиях ЗАО «Курский Агрохолдинг» проведены производственные испытания по скармливанию сельскохозяйственной птице комбикормов, содержащих в своем составе премикс с порошкообразным холинхлоридом на основе сухих яблочных выжимок, которые подтвердили эффективность предложенных технических и технологических решений.

Условные обозначения

\ут \Yv _ начальная и равновесная влажность материала, %; ll^i, >К-р2 -первая и вторая критическая влажность материала, %; Гю t„ , tBозд - температура материала, перегретого пара и воздуха, °С; и„ - скорость перегретого пара м/с; и„ - скорость атмосферного воздуха, м/с; р - давление в сушильной камере, кПа; - атмосферное давление, кПа; а - угол естественного откоса материала, град.;/„/»„ - коэффициенты внутреннего и внешнего трения; с/уя - удельная нагрузка материала, кг/м ; е - порозность слоя материала; Nu, Re - критерии Нуссельта и Рейнольдса; /V, - скорость сушки в первом периоде %/мин; г - продолжительность процесса сушки, мин; Ki, Кг - коэффициенты сушки 1-й и 2-й частей второго периода сушки; Xi,X2~ относительные коэффициенты сушки 1-й и 2-й частей второго периода сушки; <р - относительная влажность воздуха, %; с - содержание витамина С, %; расход воздуха, м3/(ч т).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Дранников, A.B. Использование теории подобия при описании процесса сушки свекловичного жома перегретым паром [Текст] / A.B. Дранников, C.B. Куцов, Е.В. Костина, В.П. Ясиневская // Вестник

ВГТА. - 2010 - № 1,С. 25-28.

2. Шевцов, A.A. Сухие яблочные выжимки как носитель холин-хлорида в технологии полнорационных комбикормов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина, Е.Ю. Стороженко // Вестник ВГТА. - 2011 - № 3, С. 49-51.

3. Шевцов, A.A. Разработка технологии импортозамещающего кормового сырья на основе сухих яблочных выжимок [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина, Е.Ю. Стороженко // Кормопроизводство. - 2012 - № 1, С. 42 - 44.

Патенты па изобретения РФ

4. Пат. 2422053 РФ, МПК7А 23L 3/40 A 23L 3/5. Способ сушки высоковлажных дисперсных материалов и установка для его осуществления [Текст] / A.B. Дранников, A.A. Шевцов, Е.В. Костина (РФ), заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. № 2010102777/13; заявл. 27.01.2010; опубл. 27.06.2010; бюл. № 18.

5 Пат. 2478889 РФ, MnK7F 26В 17/10 F 26В 3/092. Установка для сушки дисперсных высокоплажных материалов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина, А.И. Клейменов, Е.Ю. Стороженко (РФ), заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№2011141665/06; заявл. 13.10.2011; опубл. 10.04.2013; бюл. № 10.

6. Пат. 2486773 РФ, МПК7А 23L 1/302 А 23К 1/16 С 07 С 215/40. Способ получения сыпучей формы холинхлорида из его водного раствора [Текст] / A.B. Дранников, A.A. Шевцов, Е.В. Костнна, Е.Ю. Стороженко (РФ), заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. универ. инженер, технолог. - № 20121043117/13; заявл. 07.02.2012; опубл. 10.07.2013; бюл. № 19.

Статьи и материалы конференций

7. Шевцов, A.A. К вопросу подготовки растительного сырья в технологии пектинопродуктов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина, A.B. Калинина // Материалы 111 Всероссийской научно -практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания». - Челябинск: ЮУрГУ, 2009. - Т. 1. - С. 215-216.

8. Дранников, A.B. Комплексный анализ показателей качества яблочных выжимок для последующей переработки в комбикорма [Текст] / A.B. Дранников, Е.В. Костина, A.B. Калинина, А.Ю. Омель-ченко // Сборник материалов Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов». - Махачкала: ДГТУ, 2010. - С. 43 - 44.

9. Шевцов, A.A. Комбинированный энергоподвод при сушке высоковлажных материалов как средство ресурсосбережения [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Д.А. Бритиков, Е.В. Костина, A.B. Калинина // Успехи современного естествознания. - 2010. - № 1 - С. 103 - 104.

10. Костина, Е.В. Ресурсосберегающая технология получения сыпучей формы холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок [Текст] / Е.В. Костнна // Материалы Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященные 100-летию воронежского аграрного университета им. Императора Петра I «Инновационные технологии и технические средства для АПК». - Воронеж: ВГАУ им. Императора Петра I, 2011. - Ч. - 3. - С. 22 - 26.

11. Шевцов, A.A. Установка для реализации высокоинтенсивного процесса сушки высоковлажных дисперсных материалов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина // Материалы XLIX отчетной научной конференции. — Воронеж: ВГТА, 2011. — Ч. 2. — С. 36.

12. Шевцов, A.A. Совершенствование процесса сушки яблочных выжимок в технологии комбикормов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина // Материалы Международной научно - технической интернет - конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». - Воронеж: ВГТА, 2011.— С. 390 - 392.

13. Костина, Е. В. Исследование форм связи влаги в яблочных выжимках методом термического анализа [Текст] / Е. В. Костина, Е. А. Острикова, А. А. Шевцов, А. В. Дранников // Наука. Образование. Молодежь: материалы республиканской конференции молодых ученых. - Алматы: АТУ, 2012. - С. 245 - 246.

14. Шевцов, A.A. Многосекционная непрерывно действующая сушилка для высоковлажных полидисперсных материалов [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина, Т.В. Лесных // Сборник материалов I Международной научно - практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности». - Краснодар: КубГТУ, 2012. - С. 259 - 261.

15. Костина, Е.В. Исследование кинетических закономерностей процесса сушки яблочных выжимок [Текст] / Е.В. Костина // Материалы XL отчетной научной конференции за 2012 год. - Воронеж: ВГУИТ, 2013. -Ч.- 2. -С. 27.

16. Шевцов, A.A. Использование теории подобия для изучения закономерностей теплообмена при сушке яблочных выжимок [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Дранников, Е.В. Костина // Материалы III Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений». — Воронеж: ВГУИТ, 2013. - С. 280 - 283.

Подписано в печать 21.11. 2013. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 247 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КОСТИНА ЕВГЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЯБЛОЧНЫХ ВЫЖИМОК И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКООБРАЗНОГО ХОЛИНХЛОРИДА

Специальности: 05.18.12 -Процессы и аппараты пищевых производств, 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

На правах рукописи

04201455084

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -доктор технических наук, профессор А. А. Шевцов кандидат технических наук, доцент А. В. Дранников

Воронеж-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения........................................... 5

Введение............................................................................ 8

Г л а в а 1. Современное состояние техники и технологии сушки яблочных выжимок, теории сушки материалов перегретым паром пониженного давления и применения холинхлорида в комбикормах..................... 13

1.1. Основные сведения о получении и применении яблочных выжимок............................................................... 13

1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки высоковлажных дисперсных материалов........................... 20

1.3. Особенности процесса тепло- и массообмена при сушке материалов перегретым паром пониженного давления... 30

1.4. Характеристика холинхлорида (витамина В4) как кормовой витаминной добавки....................................... 40

1.5. Цели и задачи работы............................................ 48

Г л а в а 2. Исследование яблочных выжимок как объекта сушки 50

2.1. Изучение физико-механических и структурных свойств яблочных выжимок........................................................... 50

2.2. Исследование форм связи влаги в яблочных выжимках методом дифференциально-термического анализа........ 56

2.3. Определение теплофизических и химических характеристик яблочных выжимок..................................... 60

Г л а в а 3. Экспериментальное исследование гидродинамических и кинетических закономерностей процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления............................................ 67

3.1. Исследование гидродинамики слоя яблочных выжимок... 67 3.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов................................................. 67

3.1.2. Гидравлическое сопротивление слоя яблочных выжимок, продуваемого перегретым паром пониженного давления...................................................... 71

3.2. Методика проведения исследований кинетики сушки... 73

3.3. Влияние режимных параметров на процесс сушки яблочных выжимок......................................................... 73

3.4. Исследование процесса теплообмена при сушке яблочных выжимок...................................................... 79

3.5. Расчет продолжительности процесса сушки................ 84

3.6. Статистическая модель и оптимизация процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления............................................................ 87

Г л а в а 4. Комплексная оценка качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе при хранении...................................................... 97

4.1. Состав сухих яблочных выжимок, высушенных перегретым паром пониженного давления........................ 97

4.2. Экспериментальная линия получения порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок... 100

4.3. Материалы и методы исследования порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок..... 102

4.4. Исследование основных физико-механических свойств порошкообразного холинхлорида........................... 104

4.5. Определение оптимальных условий хранения порошкообразного холинхлорида методами математической статистики......................................................... 106

4.5.1. Обоснование интервалов варьирования входных

и выходных факторов.......................................... 106

4.5.2. Анализ регрессионных моделей........................ 109

4.5.3. Оптимизация условий хранения порошкообразного холинхлорида................................................ 116

Г л а в а 5. Ресурсосберегающие способы получения яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе 120

5.1. Способ сушки яблочных выжимок и установка для его реализации......................................................... 120

5.2. Сушильная установка с комбинированным энергоподводом для получения сухих яблочных выжимок............... 124

5.3. Разработка способа получения сыпучей формы холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок............ 127

5.4. Линия производства комбикормов с использованием сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе.......................................... 133

5.5. Эксергетический анализ процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления...... 137

Основные выводы и результаты работы................................ 150

Библиографический список................................................. 152

Приложения...................................................................... 165

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Латинский алфавит

а - коэффициент температуропроводности, м /с;

с - концентрация, %; удельная теплоемкость, Дж/(кг-К);

И - эксергетические потери, кДж/кг;

с1 - диаметр, м;

Е - эксергия, кДж/кг;

е - удельная термическая эксергия, кДж/кг; Р - площадь, м2; /- коэффициент трения; С - масса, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с2; Н- гидравлические потери, м; к - высота, м; удельная энтальпия, кДж/кг; У - интенсивность сушки, кг/(м -с); ^-коэффициент сушки, с"1; М- молярная масса газа, кг/моль; т - масса, кг; количество продукта, %; И— скорость сушки, %/с; Р - давление, Па;

о

() - расход воздуха, м /(ч-т); потери тепла в окружающую среду, кДж;

q - удельная нагрузка на решетку, кг/м2;

Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К);

51 - энропия, кДж/кг;

Т, г - температура, К, °С;

Ж- влажность, %.

Греческий алфавит

а - коэффициент теплообмена, Вт/(м -К); угол естественного откоса материала, град; степень превращения вещества; у - насыпная масса продукта, кг/м2; Л - разность; е - порозность;

ц - коэффициент полезного действия; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

V - коэффициент кинематической вязкости, м /с;

коэффициент сопротивления; а - нормальное напряжение, Па; Е — сумма;

т - время, с; напряжение сдвига, Па; фактор Карно;

V — скорость, м/с; Ф - фракция, %;

(р - относительная влажность воздуха, %; X - относительный коэффициент сушки; О - площадь сечения, м2.

Критерии подобия

Ыи = ~ - критерий Нуссельта; Яе = — - критерии Рейнольдса

Индексы

атм - атмосферный; бл - блок;

в - внутренний; воздух; вн - внешний; возд - воздух; вх - входящий; к - конечный;

кп - контрольная поверхность; кр - критический; м - материал; н - начальный; о - окружающая среда; об - общий; п - пар;

р - равновесный;

с - сухие вещества;

уд - удельный;

i,j - индексы факторов;

тах, min — максимальный; минимальный.

ВВЕДЕНИЕ

На предприятиях РФ по переработке плодоовощного сырья ежегодно перерабатываются сотни тысяч тонн яблок. В результате образуется 15...20 % выжимок, которые богаты питательными веществами (пектином и углеводами), витамином С и минеральными веществами. Однако выжимки после прессования имеют достаточно высокую влажность (60...70 %), что значительно снижает эффективность их использования в качестве ценного кормового сырья или в качестве наполнителя при производстве биологически активных добавок, применяемых при организации полноценного кормления различных видов и возрастных групп сельскохозяйственных животных и птицы. К таким добавкам следует отнести порошкообразный холинхлорид (витамин В4), который служит источником метальных групп, необходимых для происходящих в организме биохимических процессов, а также входит в состав фосфолипида лецитина, предупреждающего развитие стеатоза печени, геморрагической дегенерации почек и распада зобной железы животных. Использование в кормопроизводстве жидкого холинхлорида связано с технологическими трудностями его хранения, транспортировки и ввода в премикс, так как он неравномерно распределяется по объему смеси, что может привести к передозировке и гибели животных и птицы, поэтому все предприятиях по производству премиксов перешли на применение сухих препаратов.

В настоящее время в промышленных масштабах сушку яблочных выжимок осуществляют в барабанных сушильных установках смесью воздуха и топочных газов при высоких температурах (более 300 °С) или на ленточных сушилках теплым воздухом в щадящих режимах (50...90°С), но с продолжительностью 4.. .5 часов.

В связи с этим актуальным представляется разработка способа сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления (20... 100 кПа) в активном гидродинамическом режиме, позволяющим значительно

интенсифицировать процесс и получить сухие выжимки высокого качества, которые в дальнейшем можно использовать как ценный кормовой продукт и наполнитель при производстве порошкообразного холинхлорида.

Значительный вклад в развитие теории сушки дисперсных материалов перегретым паром внесли такие ученые как: Лыков A.B., Михайлов Ю.А., Кретов И.Т., Остриков А.Н., Кравченко В.М., Andersson V., Valentin Р. и др.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Цель диссертационной работы: расширение ассортимента витаминных кормовых добавок на основе создания энергоэффективной технологии получения порошкообразного холинхлорида при использовании в качестве наполнителя сухих яблочных выжимок, высушенных перегретым паром пониженного давления.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - изучение яблочных выжимок как объектов исследования: определить физико-механические, структурные, химические и теплофизические характеристики, исследовать формы связи влаги в выжимках и выявить температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи;

анализ основных гидродинамических и кинетических закономерностей процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления;

- исследование процесса теплообмена при сушке яблочных выжимок с последующим получением критериальных уравнений;

- выявление и обоснование рациональных режимов проведения процесса сушки выжимок перегретым паром пониженного давления;

- разработка технологии порошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок;

- изучение основных показателей качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе;

- определение рациональных условий хранения порошкообразного холинхлорида методами математической статистики;

разработка сушильной установки с комбинированным энергоподводом для получения сухих яблочных выжимок;

- анализ энергетической эффективности и технико-экономическая оценка предлагаемых технических и технологических решений;

- проведение промышленной апробации полученных результатов работы.

Научная новизна. Обоснована возможность и перспективность применения перегретого пара пониженного давления для сушки яблочных выжимок в активном гидродинамическом режиме. Определены основные кинетические и гидродинамические закономерности процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления.

Методом дифференциально-термического анализа установлены формы связи влаги в яблочных выжимках и выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной формой связи. Получены критериальные уравнения, описывающие теплообмен при сушке яблочных выжимок.

Научно обоснована технологияпорошкообразного холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок. Разработана статистическая модель хранения порошкообразного холинхлорида в широком интервале изменения входных факторов.

Практическая ценность. Разработан способ сушки высоковлажных дисперсных материалов и установка для его осуществления (пат. РФ № 2422053).

Определены рациональные режимы проведения процесса сушки яблочных выжимок перегретым паром пониженного давления: температура, давление, скорость перегретого пара в сушильной камере соответственно: 107...115 °С, 60...70 кПа, 1,5...2,5 м/с; удельная нагрузка яблочных выжимок на газораспределительную решетку 8... 13 кг/м .

Предложена установка для сушки дисперсных высоковлажных материалов (пат. РФ № 2478889), позволяющая интенсифицировать процесс сушки при сохранении высокого качества готового продукта.

Разработан способ получения сыпучей формы холинхлорида из его водного раствора (пат. РФ № 2486773) при использовании сухих яблочных выжимок в качестве наполнителя. Проведено комплексное исследование основных показателей качества сухих яблочных выжимок и порошкообразного холинхлорида на их основе.

Определены рациональные условия хранения порошкообразного холинхлорида: массовая доля холинхлорида 45...50 %; температура, расход и относительная влажность окружающего воздуха в помещении

л

соответственно: 11... 16 °С, 7... 11 м/(ч-т), 35...40 %. В производственных условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» проведены испытания по хранению порошкообразного холинхлорида при рациональных режимных параметрах.

В производственных условиях ЗАО «Курский Агрохолдинг» определена эффективность скармливания цыплятам-бройлерам комбикормов

с вводом премиксов, содержащих порошкообразный холинхлорида на основе сухих яблочных выжимок.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчётных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2010 - 2013); III Всероссийской научно - практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2009); Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безопасности пищевых продуктов» (Махачкала, 2010); Всероссийской научно - практической конференции «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронеж, 2011); Международной научно - технической интернет - конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (Воронеж, 2011); Республиканской конференции молодых ученых «Наука. Образование. Молодежь» (Алматы, 2012); I Международной научно - практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности» (Краснодар, 2012); III Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2013).

Результаты работы отмечены дипломами участника выставки Воронежского агропромышленного форума (2009), VII Межрегионального экономического форума «Воронежская область - ваш партнер» (2010), IV агропромышленной выставки «Агросезон» (2010) и золотой медалью участника выставки «ВоронежАгро» (2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 3 патента РФ на изобретения.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ЯБЛОЧНЫХ ВЫЖИМОК, ТЕОРИИ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ ПЕРЕГРЕТЫМ ПАРОМ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

ХОЛИНХЛОРИДА В КОМБИКОРМАХ

1.1 Основные сведения о получении и применении яблочных выжимок

В агропромышленном комплексе Российской Федерации недостаточно полно используются вторичные сырьевые ресурсы плодоовощной, мясо-молочной, рыбной, микробиологической, хлебопекарной и других отраслей промышленности.

К вторичным материальным ресурсам (BMP) относятся отходы производства, остающиеся после использования сырья и вспомогательных производственных материалов для получения основной продукции данного производства, а также побочная и попутная продукция, получающаяся в процессе производства параллельно с основной продукцией или в результате дополнительной промышленной обработки отходов.

К переработке вторичных сырьевых ресурсов рекомендуется применять дифференцированный подход. Есть виды вторичного продовольственного сырья, которые можно заготавливать как полуфабрикат на предприятиях малой и средней мощности и отправлять на централизованную переработку. Так, например, можно заготавливать и сушить яблочные и другие плодовые выжимки непосредственно на месте переработки, а затем направлять на дальнейшую переработку.

Технологические приемы кратковременной передержки вторичного сырья и его переработки основываются на оценке химичес�