автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и линия для отжима яблочного сока

на правах рукописи

ПУСТОВАЛОВ Дмитрий Викторович

ТЕХНОЛОГИЯ И ЛИНИЯ ДЛЯ ОТЖИМА ЯБЛОЧНОГО

СОКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мичуринск - Наукоград РФ, 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, заслуженный деятель науки

и техники РФ, профессор Завражнов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Некрашевич Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор Воронцов Иван Иванович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Садпитомникмаш»

Защита состоится 10 июня 2004г. в 1200 на заседании диссертационного совета К220.041.01 при Мичуринском государственном аграрном университете по адресу: 393760, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, зал заседаний диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 8 мая 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А?

Михеев Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важнейшим условием поддержания здоровья, высокой работоспособности и выносливости человека является полноценное питание, обеспечивающее регулярное снабжение организма всеми необходимыми витаминами и минеральными веществами. В связи с этим следует отметить роль фруктовых и овощных соков. Современная технология переработки фруктового, овощного и ягодного сырья дает возможность сохранять в соках самое ценное, что есть в растении - витамины, сахара, органические кислоты, эфирные масла и минеральные соли. Поэтому производство и потребление соков во всем мире не уменьшается, а увеличивается.

Себестоимость производства соков во многом зависит от цен на сырье (фруктов и овощей). Поэтому цель любой технологии извлечения соков является получение максимально возможного выхода сока. По яблокам большинство технологических линий обеспечивает выход 80...85% сока. Но это не является пределом. Задачей развития технологий является достижение стабильного 90...92% выхода сока.

Цель работы. Повышение эффективности отжима яблочного сока на ленточных прессах с помощью дополнительного измельчения мезги во время прессования.

Объект исследования. Технологический процесс отжима яблочного сока на ленточных прессах.

Методика исследования. Разработка модели процесса отжима, экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях, экономическая. оценка результатов исследований. Теоретическое исследование проводилось на основе известных зависимостей и положений процесса отжима жидкой фазы из дисперсных сред. Проведение многофакторного лабораторного эксперимента проводилось на основе методики латинского квадрата, производственный эксперимент по плану ПФЭ Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ. Экономические показатели рассчитывались по общепринятой методике.

Научная новизна.

• Составлена модель процесса прессования с учетом основных параметров отжима: давления, скорости роста давления, высоты слоя мезги и времени прессования.

• Получена математическая модель для определения выхода сока после дополнительного измельчения мезги.

• Разработаны зависимости для выбора оптимальных параметров прессования в соответствии с необходимой степенью отжима после предварительного отделения основной части сока и дополнительного измельчения мезги.

Практическая ценность работы. > Обосновано использование различных типов ленточных прессов при отжиме

соков на разных стадиях прессования. ^ Предложен и экспериментально исследован метод дополнительного измельчения яблочной мезги после отделения основной части сока. ^ Предложена технология повышения степени отжатия яблочного сока на существующем прессовом оборудовании. На защиту выносятся:

• обоснование применения для отжима сока комбинации из различных типов ленточных прессов;

• обоснование применения дополнительного измельчения мезги при переходе от одной конструкции пресса к другой во время отжима яблочного сока;

• результаты теоретического исследования процесса отжима яблочного сока;

• результаты экспериментальных исследований процесса отжима после дополнительного измельчения мезги;

• технология, повышающая эффективность отжима прессового оборудования, используемого на предприятиях.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Аграрная наука в начале XXI века» г. Воронеж, ВГАУ, 2001г., XXII Российской школе по проблемам науки и технологий, г. Миасс, 2003г., научной конференции «Инженерное обеспечение АПК» МичГАУ, 2003г.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах. В настоящее время в патентном ведомстве РФ рассматривается заявка на предполагаемое изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения, содержит 125 страниц основного текста, 20 таблиц, 40 рисунков. Список использованной литературы включает 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дана краткая характеристика состояния проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа. Изложены вопросы актуальности темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЯБЛОЧНОГО СОКА

Анализ развития современных технологий извлечения соков показал, что наиболее эффективным является совместное использование методов прессования и экстракции. На них основана наиболее часто применяемая технология двойного прессования. При ее использовании яблочную мезгу отжимают дважды: вначале после дробления, а затем после добавления в полученные выжимки воды с ферментами для экстрагирования оставшегося сока. Для достижения общего выхода сока 80...85% достаточно, если на каждом прессе степень отжима будет составлять 60...65% (с учетом уменьшения-концентрации растворимых сухих веществ в соке после добавления воды). Для получения более высокого выхода сока (90% и выше) требуется, чтобы степень отжима на прессах составляла 70...75%.

Устройство рабочих органов ленточных прессов, получивших в последнее время широкое применение, можно разделить на три различных схемы (рис.1): валково-ленточную, роликовую (валковую) и с лентами в виде прессующих транспортеров.

Прессование и соковыделение при валково-ленточной схеме происходит в основном при протягивании лент по окружности валков. На этих участках ленты прижимают мезгу к валкам. Удельное натяжение лент невелико, поэтому даже при небольшом диаметре валков давление на мезгу не превышает 0,15 МПа. В роликовой схеме давление на мезгу может создаваться значительное, но основным недостатком данной конструкции является то, что время прессования в паре роликов очень мало и не успевший стечь сок снова впитывается мезгой. Поэтому указанные конструкции не могут обеспечить стабильный высокий выход.

аI

6)

б!

Рис 1. Схемы рабочих органов ленточных прессов: а) валково-ленточная; б) роликовая; в) с прессующими транспортерами

Для увеличения выхода сока наиболее целесообразно производить отжим в два этапа с использованием валково-ленточного или роликового пресса для первоначального прессования, а для дожима мезги под высоким постоянным давлением — на основе конструкции с прессующими транспортерами. Последние виды прессов фактически не используются из-за сложной конструкции и высокого энергопотребления. Но их применение только в качестве «дожимного» устройства позволит уменьшить существующие недостатки.

Анализ показал, что кроме использования различных конструкций ленточных прессов для интенсификации процесса при переходе от одной схемы прессования к другой целесообразно применить дополнительное механическое воздействие на мезгу. С конструктивной точки зрения использование метода разрыхления мезги не желательно, так как данный метод, применяемый в прессах периодического действия, требует многократного повторения. Поэтому был предложен метод дополнительного измельчения, который обеспечит разрыхление мезги и, кроме этого, более быстрое разрушение клеточных оболочек, которые не были разрушены при первоначальном дроблении.

На основании аналитического обзора литературы по рассматриваемой проблеме сформулированы следующие задачи исследования:

определить влияние основных параметров прессования на выход сока; сравнить влияние предлагаемого метода дополнительного измельчения с применяемым методом разрыхления на процесс отжима; исследовать влияние дополнительной обработки на выход сока; разработать технологию отжима сока с использованием дополнительного метода интенсификации;

определить экономическую эффективность применения новой технологии.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТЖИМА

Отжим является сложным зависящим от множества факторов технологическим процессом, поэтому для создания модели был выбран метод численного моделирования. Моделирование процесса отжима яблочной мезги производили для случая отжима сока в одном направлении: от прессующей поверхности к фильтрующей перегородке.

При прессовании давление, оказываемое на материал, распределяется между деформируемым скелетом мезги и находящимся в свободном состоянии соком. Для любого момента времени:

Р = РС + РЖ> (1)

где: Р - общее внешнее давление, Па;

- давление, передаваемому скелету (сухой части), Па;

- давление воспринимаемое жидкостью, Па.

Скорость фильтрования сока определяется согласно закону Дарси:

где: Уф — скорость фильтрации жидкости через пористую среду, м/с; К - коэффициент фильтрации пористой среды, м2/н*с; - перепад давления в пористой среде.

саI

Представим, что весь слой мезги состоит из конечного числа участков с малым ДЬ; (рис.2), в которых обезвоживание по толщине одинаково в любой момент времени. Каждый из элементарных участков можно представить в виде системы, состоящей из пространства, заполненного соком, упругого элемента, имитирующего скелет мезги, и фильтрующей перегородки. В системе течение сока будет происходить с постоянной скоростью. Так как с уменьшением количества жидкости в мезге, уменьшается объем порового пространства и, следовательно, коэффициент фильтрации мезги, то фильтрационная характеристика перегородки также должна изменяться в зависимости от обезвоживания. Процесс же отжима можно описать как взаимодействие между собой некоторого количества однородных в любой момент времени участков.

Рис. 2. К определению скорости фильтрования Для удобства разделим слой мезги на п равных слоев (рис.2) и рассмотрим процесс прессования в некоторый момент времени t. В любой момент времени коэффициент фильтрации каждого участка можно принять постоянным.

Так как из каждого участка истечет определенное количество сока, то каждому ¡-му участку будут соответствовать свои значения Ра и ДЬ„ а скорость фильтрования будет равна:

р-р,

(6)

где: Ь, - расстояние от фильтрующей перегородки до ¡-го уровня, равное

А, = ДА1+ДЛ2 +...+ДА, (7)

К],, - коэффициент фильтрации слоя мезги от фильтрующей перегородки до ¡-го участка.

Для определения скорости фильтрования в первую очередь требуется определить отношение К^/Ъ,. Для упрощения расчетов заменим ДЬ, на ДЬпри1! (величину принимаемую постоянной в любой момент времени), а коэффициент фильтрации на приведенный коэффициент фильтрации, который равен:

К,=-

ДА,

(8)

Соответственно, исходя из формул (7) и (8), получаем:

(9)

Изменение свойств каждого ¡-го участка в течение некоторого малого времени Дг можно описать следующими уравнениями:

(10) (10) (12)

(13)

(14)

(15)

да с)={уф,-уф^)м а=1д0(о

РД0= 3,97 • 10~1! • Q6

Рж,=Р(!)~Ра

ЛГ(0 = 5,4-1(Г-е

г». л-«»е

1

?г

ДА.,

где: Q, - обезвоживание i-ro участка в массовых долях (%);

AQ, - обезвоживание участка в течение некоторого времени At, %; - закон нагружения мезги.

В указанных зависимостях формулы (12) и (14) определялись из результатов экспериментальных исследований, описанных в главе 4. Уравнение (15) требуется для проверки условия истечения сока только к фильтрующей поверхности.

Для численного моделирования процесса отжима необходимо через некоторую дату Д1 по уравнениям (10-16) определять изменение свойств мезги. В качестве начальных параметров задается толщина слоя мезги, закон нагружения P(t) и общее время отжима. Модель была реализована в программе MatLab6.0. При расчетах шаг времени Д1 задавался равным 0,01 сек.

Результаты числового моделирования. На рисунке 3 показана зависимость влияния высоты слоя мезги и давления на выход сока. Данные получены при числовом моделировании процесса отжима под постоянным давлением в течение двух минут. Согласно полученным графикам основное влияние на количество отжимаемого сока оказывает давление. Увеличение давления с 0,2 МПа до 1,2 МПа приводит к увеличению выхода сока с 62 до 81% (для h=0,5 см). Увеличение толщины обрабатываемого слоя приводит к уменьшению выхода сока. При h=3,0 см указанное повышение давления приводит к увеличению выхода сока только до 66%, т.е. целесообразно прессование вести в тонком слое, но это приводит к уменьшению производительности пресса. Эффективность повышения давления при малых его величинах выше. Так, например, если давление увеличивается с 0,2 МПа до 0,4 МПа, то дополнительный выход составляет от 4% до 7,5% (при h=3,5 см и h=0,5 см соответственно), а при повышении давления с 1 МПа до 1,2 МПа эффективность отжима увеличивается всего на 1,5%...2%.

76 72 68 64 60 56

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Ьсм

Рис. 3. Зависимость выхода сока Q (в процентах от начальной массы мезги) от давления Р и высоты слоя Ь

Теоретически при времени К» выход сока будет соответствовать компрессионной зависимости мезги. Различия же между дополнительными выходами при увеличении давления объясняется влиянием высоты слоя на скорость процесса обезвоживания, причем эффективность отжима будет наивысшей при минимальной высоте слоя.

На рисунке 4 приведены графики, полученные моделированием процессов прессования при постоянном давлении и при постоянной скорости нагружения. Моделирование производили таким образом, чтобы конечное давление в обоих способах на-гружения оказывалось равным. Давление изменяли на трех уровнях: 0,4, 0,7, и 1 МПа, время прессования ограничили двумя минутами. Согласно графикам при постоянном давлении в начальный момент времени наблюдается более интенсивное извлечение сока, конечное значение выхода сока так же было выше. Однако, если в первоначальное время разница выходов могла составлять более 10%, то конечные значения отличались в среднем только на 3%. Поэтому выбор оптимальной скорости нагружения зависит от длительности прессования. Чем больше времени занимает процесс отжима, тем меньше требуется скорость нагружения, и наоборот.

0,% 60

50

40

30

20

10

о

Р?1 МПа Р=рЛ МПа _

аР/сй =0,00833 МП£ 'с

(1РЛ 11=0,005833 N Па/с

/ с!Р/с«=( 1,00333 МПа 'с

20

40

60

80

100

1С

Рис. 4. Зависимость выхода сока Q (в процентах от начальной массы мезги) при постоянном и равномерно нарастающем давлении

Дополнительные исследования показали, что для получения максимально возможного выхода сока необходимо вначале давление повышать постепенно, чтобы основная часть сока выделилась при небольшом давлении, а затем обеспечить длительный дожим мезги под постоянным, высоким давлением. Для выяснения закономерностей, происходящих при прессовании, был рассмотрен процесс отжима по всей толщине мезги.

На рисунке 5 показан выход сока по толщине слоя при следующих исходных данных: h=2 см, Р=1 МПа. Слой мезги при моделировании был разделен на 10 равных участков.

В начальный момент времени скорость обезвоживания ДР'/'УД! выше в слоях, прилегающих к фильтрующей поверхности, чем в последующих. В результате около фильтрующей перегородки образуется небольшой слой мезги, который имеет меньший коэффициент фильтрации, чем остальная часть мезги, и поэтому замедляется процесс истечения сока из внутренней части. При моделировании принималось, что мезга является однородной по всему объему. Но на практике это не так. Поэтому реальная толщина участка, прилегающего к фильтрующей перегородке и имеющего во время отжима коэффициент фильтрации значительно меньше, чем в остальной части мезги, вероятно, будет зависеть от того, какой степени измельчения подвергаются яблоки и насколько однородна будет полученная мезга.

Q,% 70

60

50

40

30

20

10

О

г - ...........

/ / Л'' ...

к Обезвох к фильтрующ ивание участка, пр >й поверхности; тегающего

/ # 1* If Обезвох ОТ ФИЛЬТРУЮ!. ивание участков,не 1ей поверхности иболее удаленных

If

0 50 100 150 200 t,c

Рис. 5. Зависимость обезвоживания мезги по толщине слоя

Рассмотренное явление - образование слоя с пониженным коэффициентом

фильтрации, можно наблюдать при любой скорости нагружения. Причем чем больше будет данная скорость, тем значительней будут отличаться коэффициенты фильтрации по толщине в мезге.

Для определения какая из характеристик мезги (компрессионная или фильтрационная) имеет наибольшее влияние на процесс извлечения сока, были смоделированы процессы отжима с различными расчетными зависимостями (12) и (14) при исходных данных: высота мезги h=2см, давление 1 МПа, начальный выход сока Q%=40%. Полученные графики представлены на рисунке 6.

Результаты экспериментов показывают, что основное влияние на процесс извле-

чения сока оказывает коэффициент фильтрации. Более того, уменьшение компрессионной зависимости привело к небольшому снижению конечного результата. Причиной этого является более интенсивное обезвоживание прилегающей к фильтрующей перегородке слоя мезги, в результате чего уменьшилась общая скорость обезвоживания. Однако при одновременном изменении расчетных формул коэффициента фильтрации и компрессионной зависимостей была получена наибольшая эффективность отжатия мезги. После дополнительного исследования было обнаружено, что если компрессионная зависимость изменяется после выхода более 50% сока, то конечный результат оказывается также несколько выше обычного.

0,% 70

65

60

55

50

45

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 с

Рис. 6. Выход сока <3 (в процентах от начальной массы мезги) при изменении свойств мезги: 1 _К ({?) = 3,97 • 10 "и • {?' ? К(<2) = 5,4-10-' • е-° . 2 _ КШ) = 1,98-10""К(0) = 5,4-10"'• е* "".

3 = 3.97-10~"-К(<2) = 10,8-10"' • е* . 4 _Р.(0= 1,98- Ю"12 • ^ К(0) = 10,8-10"' • е^

На компрессионную зависимость во многом влияет степень измельчения мезги. Поэтому, согласно рисунку 6 излишнее начальное дробление яблок не увеличивает количество извлекаемого сока, а уменьшает его. Благоприятный эффект от более высокой степени измельчения может быть получен, если производить дополнительное дробление после отжима основной части мезги.

Численное моделирование процесса отжима, показало, что основное влияние на выход сока оказывает давление прессования. Чем выше давление, тем выше выход сока. Однако давление следует ограничить 1,5 МПа, т.к. количество сока, полученного дополнительно при применении более высокого давления, будет незначительно. Большая часть сока извлекается в течение первой минуты прессования. Общее же время процесса требуется выбирать в зависимости от необходимой степени отжима.

Максимальный выход сока достигается, если вначале извлечь 50% сока и более при сравнительно небольшом давлении, а затем дожимать мезгу при высоком посто-

янном давлении.

Для интенсификации процесса отжима требуется изменять компрессионные и фильтрационные характеристики мезги. Повышение фильтрационных свойств мезги значительно увеличивает скорость извлечения сока. Уменьшение же компрессионной характеристики приводит к увеличению выхода сока, если только данное изменение произойдет после извлечения 50%.

Слишком мелкое измельчение до начала прессования приводит к уменьшению, конечного выхода. Более рационально дополнительно измельчать мезгу после отделения большей части сока - при переходе от валково-ленточной конструкции пресса к конструкции на основе прессующих транспортеров.

3. ПРОГРАММА И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

После анализа литературных данных, теоретического исследования и проведения некоторых пробных опытов было решено диапазон давлений ограничить величиной в 1,5МПа, диапазон высоты слоя мезги от 0,5см до 3,5см. Первоначальное дробление производили на ножевой дробилке с шагом зуба пилообразных ножей 5 мм.

Для проведения лабораторных опытов использовалась установка, позволяющая создавать и контролировать давление на материал и имеющая возможность регулировки высоты слоя до прессования и замера усадки в процессе прессования.

Рис. 7. Лабораторная установка для отжима сока из мезги: 1 - разрывная машина; 2 - датчик давления; 3 - рабочая камера; 4 - пульт оператора; 5 - пульт управления; 6 - принтер

Давление в установке создается посредством разрывной машины ИР5047-50

(рис.7). Мезга закладывалась в рабочую камеру (рис.8), состоящую из компрессион-

ной камеры 3, дренажной решетки с фильтрующей поверхностью 2, сплошного диска, выполняющего роль пуансона, упора 5, для предотвращения перекоса пуансона. Давление на пуансон через упор передается штоком 6, свободно скользящем в регулировочном винте 7. Регулировочный винт выполняет роль направляющего и в тоже время обеспечивает установку начального положения верхнего диска. Компрессионная камера крепится вместе со сборником сока 4. В нем предусмотрено отверстие для стока жидкости.

Рис 8. Рабочая камера: 1 - пуансон; 2 - дренажная решетка; 3 - компрессионная камера; 4 -сборник сока; 5 - упор; 6 - шток; 7 - регулировочный винт; 8 - контргайка; 9 - штуцер

При проведении лабораторных исследований для дополнительного измельчения

использовалась дробилка, состоящая из цилиндрической емкости и вертикального

вала с двумя закрепленными на разной высоте ножами. Частота вращения вала 1000

об/мин. Измельчение производили до получения однородной массы с максимальным

размером частиц 4 мм.

Для проведения промышленных экспериментов была изготовлена дробилка

(рис.9) состоящая из загрузочной воронки 1, рабочей камеры 2, рабочих ножей 3,

контрножей 4, устройства выгрузки 5 и привода 6.

Измерение влажности производилось по общепринятой методике.

Рис. 9. Дробилка для дополнительного измельчения мезги: 1 - загрузочная воронка, 2 - рабочая камера, 3 - рабочие ножи, 4 - контрножи, 5- устройство выгрузки, 6 привод

Выход сока определялся замером массы мезги до и после прессования. Определение выхода сока с течением времени (получение зависимости р=1(1)) производили с помощью мерного цилиндра и по формуле:

где: 8 - площадь сечения компрессионной камеры (рисунок 9), см; - изменение высоты слоя прессуемой мезги, см;

р - плотность сока, г/см3;

Мм- масса мезги, г.

Изменение высоты слоя во время прессования регистрировалось с помощью индикатора перемещения разрывной машины ИР5047-50. Точность измерения составляла ±0,02мм.

Взвешивание навесок производилось на электронных весах ВЭЛТ-500-0,01, имеющих диапазон измерения от 0 до 500г с точностью до 0,01г.

Оценку значимости коэффициентов математических моделей регрессий для всех экспериментов проводилось по 1 - критерию Стьюдента. Адекватность - по Б - критерию Фишера, значения которого принимали для 5-ти процентного уровня значимости и числе степеней свободы, принимаемого в зависимости от конкретного плана эксперимента.

Регрессионный анализ производили с помощью программы 8ТАТ18Т1СА 6.0. на основе метода наименьших квадратов МНК. Так же с ее помощью определялись 1-критерии и р-уровни значимости при дисперсионном анализе.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ АНАЛИЗ

На первом этапе сравнивались технологии, включающие операции дополнительного измельчения и операции разрыхления яблочной. Первоначально яблочную мезгу с толщиной слоя 2 см (среднее значения при прессовании на ленточных прессах) отжимали в течение 5 минут. Затем одна порция перемешивалась, а другая дополнительно измельчалась. Полученные после обработки выжимки снова прессовались в течение 5 минут. Отжим производили под давлением ШПа. Полученные результаты представлены на рисунке 10.

Рис 10. Выход сока в зависимости от вида дополнительной обработки После перемешивания выжимок выход сока составил 81,2%, а при дроблении 84,5%. Т.е. дополнительно было получено более 3% сока. Из графика видно, что наиболее интенсивно увеличение выхода сока после дополнительной операции происходит в первые 60 сек. прессования. Поэтому было решено сравнивать результаты сокоотделения после многократных дополнительных обработок, приняв данное время в качестве интервала между операциями. Результаты проведенного эксперимента представлены в таблице 1.

Табл. 1. Выход сока при трехступенчатом прессовании с дополнительной обработкой после

каждого этапа

Выход сока, %

I этап II этап | III этап

Дополнительное дробление

65,23 78,2 | 84,36

Перемешивание

65,7 72,4 | 78,4

Из анализа полученных данных можно сказать, что достаточно высокий выход сока был получен уже после первой обработки - 78,2%, а после второй обработки

составил 84,36%. Последующий отжим не привел к увеличению выхода. Поэтому использовать предлагаемый метод более двух раз нецелесообразно, а с учетом того, что многократная обработка с технологической точки зрения нежелательна, можно ограничиться только однократной обработкой.

Для получения компрессионной и фильтрационной характеристик был разработан метод, согласно которому материал небольшой толщины (0,5 см) подвергали прессованию с постоянной скоростью сжатия. В результате получали зависимости усадки (выхода сока) мезги от прикладываемого при этом давления. Принимая, что сок из всего объема извлекается равномерно, получим, что средняя скорость фильтрации будет равна скорости сжатия:

р®)-Рс(<2)

Кщ

(18)

Прессование осуществлялось на двух скоростях - 0,4 мм/мин и 1 мм/мин. Для определения Рс(р) и К(р) при любом р решим систему уравнений (19).

(19)

где: - законы задания внешней нагрузки, обеспечивающие, соответствен-

но, скорости сжатия

- приведенные толщины слоев в соответствующих опытах. После выполнения вычислений была получены функции и

К(0) = 5, ФЮ-'-е^.

При получении компрессионных и фильтрационных характеристик предварительно отжатой яблочной мезги, одна порция которой затем была разрыхлена, а другая дополнительно измельчена, оказалось, что полученные массы не являлись двухфазными системами. Разрыхленный материал содержал в себе воздушные полости. Поэтому соответствие между объемом отжатого сока и степенью сжатия мезги не соблюдалось, и точно определить зависимости коэффициента фильтрации и компрессионную зависимость было невозможно.

В связи с этим для получения математической модели процесса отжима после проведения дополнительного измельчения было спланирован эксперимент, который проводился по методике латинского квадрата на семи уровнях варьирования.

При исследовании выхода сока после дополнительного измельчения и предварительного отжатия был выбран диапазон изменения давления от 0,2 до 1,4 МПа. Время

прессования задавалось от 20 до 80сек. Необходимое значение давления достигалось в течение первых 10... 15 сек. Влияние высоты слоя изучалось в диапазоне от 0,5см до 3,5см, что составляет, соответственно, примерно 1 см и 7см начального слоя мезги. На основании результатов опытов была получена зависимость:

(20)

где: h - высота слоя, см;

t - время прессования, сек; р - давление прессования, МПа.

Полученное значение критерия Фишера кф,:=0,69. Теоретическое значение критерия для доверительной вероятности 0,95 составляет 1,3. Следовательно, полученная зависимость адекватна.

Полученная формула отображает влияние высоты слоя, давления и времени прессования на выход сока при тонкослойном прессовании.

Количество сока, полученного в результате прессования, будет пропорционально выражению:

(21)

где: - производительность по соку;

- коэффициент производительности по соку. На рисунке 11 дана зависимость, отображающая изменение коэффициента производительности и выхода сока после применения дополнительного измельчения мезги, от факторов h и t при давлении прессования I МПа.

Зависимости при различных значениях давления могут использоваться при определении технологических и конструктивных параметров пресса с прессующими транспортерами. На их основе установлено, что получение наибольшего объема сока достигается в основном при кратковременном прессовании с толщиной слоя 2...2,5см. Для получения более высокого выхода сока (более 75%) требуется прессовать мезгу при толщине до 1,5 см и давлении от 1 МПа и выше.

Q = 69,84 - 5,2 • А +1,46 • А • 1п(—-) + 5,533 • 1п(5 • р)

Пд~у<2 = кп

р01...........■ ■ ■ ------——---- ■ ■ --'---- ■ ------' 58

20 30 40 50 60 70 «, С

Рис. 11. Зависимости изменения коэффициента производительности к„ и выхода сока <3% от времени прессования I и высоты слоя мезги при давлении прессования 1 МПа ""~ " ~

Ь=0,5 см, Ь=1 см,......11=1,5 см,----Ь=2 см, 11=2,5 см,

^^^^ п=3 см, п=3,5 см

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Программой исследования предусматривалось определение возможности использования метода дополнительного измельчения на существующем прессовом оборудовании. Данная задача была реализована на заводе «Кочетовский соки и концентраты» Мичуринского района Тамбовской области. На заводе используется технология двойного прессования с ферментацией и экстракцией после первого отжима. При этом использовались прессы типа ПВК-12 (на основе валково-ленточной схемы).

По разработанной технологии ленточный пресс должен обрабатывать мезгу дважды. Вначале мезга, полученная после дробления или обработки ферментами, отжимается и направляется в промежуточный бункер. После его заполнения подача мезги прекращается, а в пресс поступает, пройдя обработку в дробилке, масса из бункера. Процесс повторяется периодически. Суммарное время работы пресса с одним материалом должно оставаться стандартным, чтобы не уменьшить производительность.

Условия прессования с дополнительным измельчением и без дополнительной обработки были одинаковы и соответствовали применяемой на заводе технологией. Полученные результаты представлены в таблице 2.

20 Табл. 2. Результаты проведенных производственных экспериментов

Технологический процесс Выход сока, %

Существующая технология 81,2

С дополнительным измельчением мезги на первом этапе прессования 83,8

С дополнительным измельчением мезги на втором этапе прессования 81,3

С дополнительным измельчением мезги на первом и втором этапе прессования 83,3

Применение дополнительного измельчения позволило увеличить выход сока в среднем на 2,3%. Однако эффект от обработки наблюдался только при использовании ее на первом этапе прессования. После ферментации и экстракции дополнительное воздействие на мезгу во время отжима не эффективно.

Экономическая эффективность применения метода дополнительного измельчения мезги определялась по сравнению с базовой (по заводу «Кочетовский соки и концентраты»). Дополнительный метод воздействия можно использовать как на существующем оборудовании, так и при введении дополнительного пресса с прессующими транспортерами, который обеспечивает более стабильный выход сока. Поэтому сравнение производилось для обоих случаев. При определении было принято: процентный выход сока по базовой технологии 81,3%, на основе существующего оборудования -83,6%, с добавлением пресса с прессующими транспортерами — 90%. Количество переработанных яблок за сезон принято согласно работе предприятия в 2003г. и составляет 16000 т.

Результаты расчетов затрат на извлечение сока и полученную себестоимость 1 кг сока приведены в таблице 3.

Табл. 3. Сравнительная характеристика материально денежных затрат на извлечение яблочного

сока

Статьи затрат Существующая технология С доп измельчением на основе существующего оборудования С доп. измельчением и внедрением пресса с прессующими транспортерами

Эксплуатационные затраты, руб 1225112 1263373 1439690

Затраты на яблоки, руб 24000000 24000000 24000000

Общехозя йственные затраты, руб 105233 105233 105233

Всего, руб 25330345 25368606 25544923

Масса сока, кг 13008000 13376000 14400000

Себестоимость 1кг сока, руб 1,96 1,89 1,77

Исходя из состава и значений статей затрат на извлечение сока до модернизации

и после модернизации определено, что основные затраты приходятся на закупку сы-

рья. В результате доля дополнительных затрат после модернизации составляет незначительную часть. Это позволяет при использовании технологий на основе существующих прессов снизить себестоимость с 1,96 руб. за 1 кг сока до 1,89 руб., а при введении дополнительного дожимного пресса до 1,77 руб. Дополнительная прибыль после модернизации составит 900480 руб. и 26006400 руб., а срок окупаемости 0,19 и

0.66.сез. для первого и второго варианта соответственно. На основании расчета приведенных затрат установлено, что при введении дополнительного пресса в технологическую линию приведенные затраты составят 1,79 руб., что на 0,1 руб. меньше, чем на основе существующего прессового оборудования. Поэтому данный вариант является экономически наиболее целесообразным.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретическое исследование процесса отжима показало, что для получения высокой степени отжима достаточно использовать давление прессования до 1,5 МПа. Более высокое давление практически не увеличивает выход сока.

2. Нагружение мезги должно проходить постепенно: вначале под небольшим давлением в течение 30...60 сек. в зависимости от толщины слоя требуется извлекать основную часть сока, а затем обеспечивать необходимый выход сока под высоким постоянным давлением.

3. Уменьшение толщины мезги позволяет увеличивать степень отжима при постоянных значениях остальных параметров прессования, но уменьшает производительность пресса.

4. Дополнительное измельчение мезги интенсифицирует процесс прессования, но обработку требуется производить только после извлечения не менее 50% сока. Излишне мелкое дробление перед прессованием уменьшает конечный результат. Предлагаемый метод позволяет получать большее количество сока, чем при применении разрыхления, кроме тех случаев, когда предварительно яблочную мезгу обрабатывают ферментами.

5. Дополнительное измельчение можно проводить при использовании комбинации из различных типов прессов при переходе от одной конструкции к другой (от вал-ково-ленточной к конструкции с прессующими транспортерами).

6. Разработанная технология отжима сока с применением дополнительного измельчения на оборудовании существующего на предприятии включает следующие операции: отжим сока из мезги, сбор и дополнительное измельчение полученной

массы, повторный отжим на том же прессе. Во время повторного прессования подача мезги в пресс прекращается. Процесс повторяется периодически.

7. При экспериментальном исследовании процесса отжима после отделения большей части сока и проведения дополнительного измельчения установлено, что получение максимального объема сока достигается при кратковременном прессовании с высотой слоя 2...2,5см. Однако при этом степень отжима остается невысокой (от 65% до 72%). Для отжима 75% сока и выше необходимо чтобы высота слоя мезги не превышала 1,5 см.

8. Определение экономической эффективности на примере завода ОАО «Кочетов-ский соки и концентраты» показало, что при использовании разработанной технологии на основе существующих на предприятии прессов себестоимость извлечения сока можно снизить с 1,96 руб. за 1 кг сока до 1,89 руб., а при введении дополнительного дожимного пресса с прессующими транспортерами до 1,77 руб.

9. Установлено, что модернизация технологической линии с введением дополнительного дожимного пресса является экономически более целесообразной, т.к. при этом приведенные затраты на извлечение сока составят 1,79 руб., а при использовании технологии на основе существующих на предприятии прессов 1,89 руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Пустовалов Д.В. Обоснование исследования ленточного пресса //Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, Воронеж 2002.

2. Завражнов А.И., Пимкин С.А., Пустовалов Д.В. Теоретическое исследование работы ленточного пресса. Вестник МГАУ, Т. 1 №4. Мичуринск, 2002.

3. Завражнов А.И., Пимкин СЛ., Пустовалов Д.В. Повышение эффективности работы прессового оборудования при получении яблочного сока/ XXII Российская школа по проблемам науки и технологий. - Миасс, 2003.

4. Пустовалов Д.В., Эрастов С.А. Моделирование процесса отжатия яблочного сока // Материалы научной конференции «Инженерное обеспечение в АПК». - Мичуринск 23 октября 2003 (в печати).

5. Пустовалов Д.В. Использование метода дополнительного измельчения мезги для интенсификации отжатия яблочного сока // Материалы международной конференции молодых ученых и специалистов «Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки XXI века», г. Рязань, РГСХА, 2004г. (в печати)

6. Пустовалов Д.В. Численное моделирование процесса отжима яблочной мезги // В сборнике трудов «Информационные технологии моделирования и управления», Воронеж, 2004г.

Отпечатано в типографии Мич.ГАУ Подписано в печать 05.05.2004 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная №1. Усл.печ.л.1,3. Тираж 100 экз. Заказ №11020

Мичуринский государственный аграрный университет 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101. E-mail: mgau@,mich.ru

£11553

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЯБЛОЧНОГО СОКА

1.1 Виды связи воды в плодах

1.2 Методы и технологии получения соков

1.3 Классификация и конструкции прессового оборудования для 14 отжима соков

1.4 Описание процесса отжима на ленточных прессах

1.5 Факторы, влияющие на количественный выход сока, и методы 33 интенсификации процесса прессования

Постановка проблемы. Цели и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ

2.1 Методы описания процесса отжима жидкости из дисперсных 40 материалов

2.2 Имитационное моделирование процесса отжима

2.3 Определение влияния основных факторов прессования на вы- 64 ход сока

3. ПРОГРАММА И ОБЩАЯ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО 75 ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Программа и задачи экспериментальных исследований

3.2 Оборудование и приборы, используемые при проведении экс- 77 перимента

3.3 Методика математического планирования и анализа экспери- 85 мента

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

4.1 Влияние дополнительного измельчения яблочной мезги на вы- 90 ход сока

4.2 Определение фильтрационных и компрессионных характрестик яблочной мезги

4.3 Идентификация имитационной модели процесса отжима яб- 97 лочной мезги

4.4 Определение выхода сока по влажности мезги

4.5 Моделирование процесса отжима после дополнительного из- 103 мельчения яблочной мезги

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. ЭКО- 115 НОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

5.1 Результаты производственного эксперимента

5.2 Экономическая эффективность применения метода дополни- 116 тельного измельчения

Актуальность. Важнейшим условием поддержания здоровья, высокой работоспособности и выносливости человека является полноценное питание, обеспечивающее регулярное снабжение организма всеми необходимыми витаминами и минеральными веществами. В связи с этим следует отметить роль фруктовых и овощных соков. Современная технология переработки фруктового, овощного и ягодного сырья дает возможность сохранять в соках самое ценное, что есть в растении - витамины, сахара, органические кислоты, эфирные масла и минеральные соли. Все соки богаты ценными для организма солями калия, обладают освежающим, бодрящим и тонизирующим действием [107-109, 127]. Поэтому производство и потребление соков во всем мире не уменьшается, а увеличивается. А развитие и применение современных высокомеханизированных и автоматизированных линий производства натуральных и концентрированных соков создает возможности для концентрации производства на крупных предприятиях, обеспечивающих быструю переработку больших масс плодов при минимальных трудовых затратах. Это позволяет снизить себестоимость и, следовательно, делает соки более доступными для покупателя.

Себестоимость производства соков во многом зависит от цен на сырье (фруктов и овощей). Поэтому целью любой технологии извлечения соков является получение максимально возможного выхода сока. По яблокам большинство технологий достигло 80.85% выхода. Но это не является пределом. Задачей развития технологий является обеспечение стабильного 90.92% выхода сока.

Анализ литературных данных показывает, что наиболее распространенным способом извлечения соков является прессование, причем современные технологии используют, как правило, ленточные прессы. Развитие и производство за рубежом ленточных прессов практически привело к вытеснению из данной сферы шнековых, которые являлись основным видом пресса, применяемым в нашей стране. Сейчас большая часть оборудования, используемая на заводах, является оборудованием иностранного производства. Однако, несмотря на достоинства ленточных прессов, высокой производительности и малого энергопотребления, их конструкции пока не могут обеспечивать стабильно высокий выход сока.

Большинство механических методов (перемешивание, изменение прессующей плоскости, вибрация), которые могут обеспечить интенсификацию процесса отжима, либо требует многократного использования (перемешивание, изменение прессующей плоскости), либо приводят к ухудшению качества полученного сока (вибрация). Поэтому требуется разработка новых методов, позволяющих увеличить выход сока на данных прессах.

Цель работы. Повышение эффективности отжима яблочного сока на ленточных прессах с помощью дополнительного измельчения мезги во время прессования.

Объект исследования. Технологический процесс отжима яблочного сока на ленточных прессах.

Научная новизна. Составлена модель и проведено численное моделирование процесса прессования с учетом основных параметров отжима: давления, скорости роста давления, высоты слоя мезги и времени прессования. Получены математические модели для определения выхода сока и производительности пресса после применения дополнительной обработки и выхода основной части сока. Разработаны зависимости для выбора оптимальных параметров прессования в соответствии с необходимой степенью отжима яблочной мезги после предварительного отделения основной части сока и дополнительного измельчения мезги.

Практическая ценность работы. Обосновано использование различных типов ленточных прессов при отжиме соков на разных стадиях прессования. Предложен и экспериментально исследован метод дополнительного измельчения яблочной мезги после отделения основной части сока. Разработана технология, позволяющая повысить выход сока на прессовом оборудовании, существующего на предприятиях. Технология испытана на заводе ОАО «Кочетовский соки и концентраты» Мичуринского района Тамбовской области.

I На защиту выносятся;

• обоснование применения для отжима сока комбинации из различных типов ленточных прессов;

• обоснование применения дополнительного измельчения мезги при переходе от одной конструкции пресса к другой во время отжима яблочного сока;

• результаты теоретического исследования процесса отжима яблочного сока;

• результаты экспериментальных исследований процесса отжима после дополнительного измельчения мезги;

• технология, повышающая эффективность отжима прессового оборудования, используемого на предприятиях.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Аграрная наука в начале XXI века» г. Воронеж, ВГАУ, 2001г., на XXII Российской школе по проблемам науки и технологий, г. Миасс, 2003г., на научной конференции «Инженерное обеспечение АПК» МичГАУ, 2003г.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах и одном описании к предполагаемому изобретению.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения, содержит 127 страниц основного текста, 20 таблиц, 40 рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретическое исследование процесса отжима показало, что для получения высокой степени отжима достаточно использовать давление прессования до 1,5 МПа. Более высокое давление практически не увеличивает выход сока.

2. Нагружение мезги должно проходить постепенно: вначале под небольшим давлением в течение 30.60 сек. в зависимости от толщины слоя требуется извлекать основную часть сока, а затем обеспечивать необходимый выход сока под высоким постоянным давлением.

3. Уменьшение толщины мезги позволяет увеличивать степень отжима при постоянных значениях остальных параметров прессования, но уменьшает производительность пресса.

4. Дополнительное измельчение мезги интенсифицирует процесс прессования, но обработку требуется производить только после извлечения не менее 50% сока. Излишне мелкое дробление перед прессованием уменьшает конечный результат. Предлагаемый метод позволяет получать большее количество сока, чем при применении разрыхления, кроме тех случаев, когда предварительно яблочную мезгу обрабатывают ферментами.

5. Дополнительное измельчение можно проводить при использовании комбинации из различных типов прессов при переходе от одной конструкции к другой (от валково-ленточной к конструкции с прессующими транспортерами).

6. Разработанная технология отжима сока с применением дополнительного измельчения на оборудовании существующего на предприятии включает следующие операции: отжим сока из мезги, сбор и дополнительное измельчение полученной массы, повторный отжим на том же прессе. Во время повторного прессования подача мезги в пресс прекращается. Процесс повторяется периодически.

7. При экспериментальном исследовании процесса отжима после отделения большей части сока и проведения дополнительного измельчения установлено, что получение максимального объема сока достигается при кратковременном прессовании с высотой слоя 2-г2,5см. Однако при этом степень отжима остается невысокой (от 65% до 72%). Для отжима 75% сока и выше необходимо чтобы высота слоя мезги не превышала 1,5 см.

8. Определение экономической эффективности на примере завода ОАО «Кочетовские соки и концентраты» показало, что при использовании разработанной технологии на основе существующих на предприятии прессов себестоимость извлечения сока можно снизить с 1,96 руб. за 1 кг сока до 1,89 руб., а при введении дополнительного дожимного пресса с прессующими транспортерами до 1,77 руб.

9. Установлено, что модернизация технологической линии с введением дополнительного дожимного пресса является экономически более целесообразной, т.к. при этом приведенные затраты на извлечение сока составят 1,79 руб., а при использовании технологии на основе существующих на предприятии прессов 1,89 руб.

1. Аверьянов К.Г., Ревзин В.Я. Резервы увеличения коэффициента использования плодово-ягодного сырья и улучшения качества соков. Вопросы товароведения и технологии пищевых продуктов. Изд-во «Высшая школа», Минск, 1973, стр. 125-132.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971. - 282 с.

3. Азаров Б.М. Формование давлением изделий пищевой промышленности. (Реологические основы параметров и режимов): Автореф. дис.д-ра техн.наук. М., 1972. - 53 с.

4. Азаров Б.М., Назаров Н.И. Реология пищевых масс. М., 1970.- 70с.

5. Аношин И.М. Теоретические основы массообменных процессов пищевых производств. М.: Пищевая пром-сть, 1970. - 376 с.

6. Аношин И.М. Физические процессы виноделия М.: Пищ. пром-сть, 1976. - 375с.

7. Ашмарин И.П., Васильев H.H., Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирования экспериментов. 2-е изд. испр. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. - 78с.

8. Бабенко А.Е. Статистические характеристики основных параметров яблок. Сб.науч.тр./ Всесоюз. науч.-исслед. ин-т с.-х. машиностроения. -М.,1972, вып.71, стр. 242-246.

9. Берман Г.К., Клаповский Ю.В. К теории процесса формирования конфетных масс на валковых прессах. Хлебопекарная и кондитерская пром-сть, вып. 17, стр. 34-37.

10. Бледнов Ю.Г. Исследование структурно-механических свойств и процесса резания сахарной свеклы: Дис. . канд. техн. наук. Краснодар, 1971. -182с.

11. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. - 656с.12.