Получение пищевых порошков в сушилках-мельницах вибрационного типа
На правах рукописи
ДУБКОВА НАИЛЯ ЗУФАРОВНА
Получение пищевых порошков в сушилках-мельницах
вибрационного типа
05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Николаев Андрей Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Антипов Сергей Тихонович
доктор технических наук, профессор
Габитов Фаризан Ракибович
доктор технических наук, профессор
Садыков Ренат Ахатович
Ведущая организация: ГОУ ВПО Оренбургский государственный
Защита диссертации состоится « 25 » ноября 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний учёного совета), А–330.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.
Автореферат разослан «____» 2011 г.
доктор технических наук,
профессор С.И. Поникаров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основной целью пищевой промышленности является снабжение населения качественными натуральными продуктами питания. Овощи и фрукты должны круглый год присутствовать в рационе питания человека, как незаменимый источник витаминов, органических кислот, минеральных веществ, необходимый для полноценной жизнедеятельности людей. Поэтому хранение и переработка растительного сырья с сохранением всех его питательных свойств является основной задачей пищевой и перерабатывающей промышленности.
Важным фактором, определяющим эффективность переработки растительного сырья, является сезонность его поступления на хранение и переработку, а также урожайность, изменяющаяся из года в год. Сезонность поступления скоропортящихся продуктов обуславливает сжатые сроки их переработки. Это приводит к необходимости разработки и внедрения таких способов переработки, при которых у растительного сырья вырабатывается способность к длительному хранению при сохранении состава исходного сырья.
Традиционные формы хранения и транспортирования растительного сырья предполагают ограниченные сроки и сложные условия хранения продукции. Большой объём сельскохозяйственного сырья делает его хранение и транспортировку сложными, дорогостоящими, громоздкими и энергоемкими. Кроме того, неизбежны потери, как самого сырья, так и его ценных компонентов при воздействии влаги и высоких температур, например, при консервировании.
Порошковый способ является наиболее перспективным, эффективным и компактным способом длительного хранения без потерь и транспортировки растительного сырья. Кроме того, в качестве сырья для этой технологии могут использоваться как цельные продукты, так и остатки других производств по переработке ягод, фруктов, овощей, которые содержат немало ценных компонентов. Пищевые порошки освобождены от значительной части влаги, содержащейся в обычных продуктах, в связи с чем, имеют незначительный объём, массу и высокую концентрацию питательных веществ. Низкая влажность порошков благоприятствует их длительному хранению при максимальной степени сохранения питательных свойств исходного продукта.
Существующие способы получения пищевых порошков являются громоздкими в аппаратурном оформлении, энергоёмкими, продолжительными по времени, поэтому проблема создания новых высокоэффективных технологий переработки растительного сырья является актуальной задачей пищевой индустрии.
В современных условиях внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий. Одним из самых энергоемких процессов на многих предприятиях является сушка. В частности, продолжительность сушки растительного сырья, являющегося наиболее ярким представителем термолабильных капиллярнопористых материалов, занимает до нескольких часов в зависимости от свойств перерабатываемого материала, что обусловлено невозможностью повышения температуры процесса, приводящей к снижению качества продукта.
Значительно сократить продолжительность процесса, а значит, и снизить его себестоимость, позволяет проведение сушки и измельчения в одном аппарате для постоянного обновления поверхности испарения свободной влаги. Однако данные технологии до сих пор не имеют расчетной базы, позволяющей получить оптимальные режимные параметры процесса. Кроме того, нет четких рекомендаций по выбору той или иной технологии сушки с одновременным измельчением применительно к различным видами растительного сырья. Разработка методов расчета технологических процессов сушки растительного сырья при сопутствующем измельчении, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления является актуальной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.
Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Приоритетные направления науки и техники» (гос. контракт № 02.516.11.6040); в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракты № 02.740.11.0062; 02.740.11.0753; П560).
Целью работы является исследование процессов получения пищевых порошков из растительного сырья с совмещением сушки и вибрационного измельчения при пониженном давлении, разработка их аппаратурного оформления и методов расчета.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:
— разработка способов получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и измельчения в одном аппарате;
— экспериментальные исследования закономерностей движения перерабатываемого материала в вибрационном аппарате непрерывного действия;
— разработка теоретической схемы движения мелющих тел в вибрационном аппарате с круговой траекторией колебаний корпуса;
— теоретические исследования условий движения и взаимодействия частицы материала с вибрирующим корпусом, определение оптимальных параметров вибрации из условий максимальной скорости циркуляции загрузки;
— экспериментальные исследования кинетики измельчения растительного сырья различной влажности в диапазоне режимных параметров аппаратов;
— экспериментальные исследования кинетики сушки различных видов сырья в зависимости от режимных параметров процесса;
— разработка математического описания процессов сушки растительного сырья с сопутствующим вибрационным измельчением при кондуктивном и кондуктивно-конвективном способах подвода тепла;
— определение затрат мощности на перемешивание загрузки в зависимости от режимных параметров процессов сушки и измельчения;
— разработка аппаратурного оформления технологических процессов производства пищевых порошков совмещением в одном аппарате сушки и измельчения и промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна работы заключается в том, что:
— впервые исследованы и обобщены закономерности процесса получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и измельчения в аппаратах вибрационного типа;
— в результате экспериментальных исследований структуры потока перерабатываемого материала в вибрационном аппарате были определены режимные параметры, обеспечивающие необходимое для сушки материала среднее время пребывания;
— в результате исследований условий циркуляции материала в вибрационном аппарате, определена зависимость времени контакта перерабатываемого материала с греющей поверхностью и оптимальные параметры вибрации из условий максимальной скорости циркуляции загрузки; разработанный механизм послойного движения мелющих тел в вибрационном аппарате, позволил проводить процесс измельчения растительного сырья в рациональных режимах за счет выбора начального размера частиц в зависимости от амплитуды колебаний корпуса;
— в результате экспериментальных исследований выявлены кинетические закономерности процессов сушки при пониженном давлении, вибрационном смешении и измельчении растительного сырья при производстве пищевых порошков при кондуктивном и кондуктивно-конвективном способах подвода тепла;
— экспериментальные исследования кинетики измельчения растительного сырья различной влажности при различных параметрах вибрации позволили выявить, что измельчение не является лимитирующим процессом при производстве порошковых продуктов, а лишь интенсифицирует процесс сушки, за счет постоянного обновления поверхности испарения свободной влаги;
— в результате экспериментальных исследований получены зависимости коэффициента внешнего трения для различного растительного сырья в зависимости от влажности образцов, определены зависимости затрат мощности на перемешивание загрузки при проведении процессов сушки и измельчения в вибрационных аппаратах;
— разработано обобщенное математическое описание технологических процессов, протекающих при сушке растительных материалов с сопутствующим вибрационным измельчением, позволяющее определить время получения пищевых порошков и скорость процесса;
— выявлены пути интенсификации процессов переработки растительного сырья, получены рациональные режимные параметры сушки, смешения и измельчения.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием фундаментальных законов теоретической механики, тепло- и массообмена при испарении жидкости, общепринятыми методами экспериментальных исследований, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность. В результате комплексного исследования технологических процессов сушки растительных материалов с сопутствующим измельчением при получении пищевых порошков разработаны:
— новый способ получения пищевых порошкообразных продуктов из растительного сырья (патент РФ № 2064477);
— новые конструкции сушильного оборудования, а также конструктивные рекомендации, направленные на улучшение качества высушиваемого материала, новизна конструкций подтверждена патентами (патенты РФ № 2229340, 2413577, свидетельство на полезную модель № 14649).
— рациональные технологические режимы ведения сушки растительных материалов с сопутствующим вибрационным измельчением; технологические схемы переработки растительного сырья в пищевые порошкообразные продукты;
— экспериментальные установки и методики исследований кинетики сушки, смешения и измельчения растительного сырья.
Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации на стадии рабочих чертежей, паспортов и инструкций по эксплуатации. На техническую документацию имеется заключение регионального отделения санэпиднадзора и НПО «Пищепромпроектмаш». Внедрение аппаратов для сушки и измельчения растительного сырья осуществлено на предприятиях ОАО «Казанский завод продовольственных товаров», ООО «Ремтех», ОАО «Таткрахмалпатока».
На порошки из растительного сырья разработаны технические условия ТУ 9164-001-2069635-93 «Порошки пищевые растительного происхождения», получен гигиенический сертификат № 478358 от лаборатории на основании протокола анализа качества порошков в лаборатории СЭС.
Разработанные экспериментальные установки, методики и результаты исследований внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Технология сушки» и «Технологическое оборудование отрасли».
Основные положения, выносимые на защиту. Решение проблемы, состоящей в создании ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурного оформления процессов сушки растительного сырья при пониженном давлении с одновременным измельчением, на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате расчета обобщенного математического описания, а именно:
— способы получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением процессов сушки и измельчения в аппаратах вибрационного типа;
— механизм послойного движения загрузки в вибрационном аппарате, позволяющий проводить процесс измельчения растительного сырья в рациональных режимах;
— математические зависимости определения времени пребывания материала в вибрационном аппарате от его режимных параметров;
— параметры вибрации, обеспечивающие максимальную скорость циркуляции перерабатываемого материала в вибрационном аппарате; математическая зависимость определения времени контакта перерабатываемого материала с вибрирующим корпусом;
— результаты экспериментальных исследований кинетики процессов сушки при пониженном давлении и вибрационном воздействии и кинетики измельчения растительного сырья при производстве пищевых порошков;
— результаты экспериментальных исследований коэффициента внешнего трения для различного растительного сырья в зависимости от влажности образца, необходимые для расчета затрат мощности; математические зависимости затрат мощности на перемешивание загрузки в зависимости при проведении процессов сушки и измельчения; результаты экспериментальных исследований затрат мощности в зависимости от различных режимных параметров процессов;
— обобщенное математическое описание технологических процессов, протекающих при сушке растительных материалов с одновременным вибрационным измельчением;
— конструкции аппаратов получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и вибрационного измельчения в режиме интенсивной циркуляции загрузки;
— усовершенствованные технологические схемы получения пищевых порошков из растительного сырья и режимы переработки растительного сырья в пищевые порошкообразные продукты;
— экспериментальные установки и методики исследований кинетики сушки, смешения и измельчения растительного сырья.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Международной научно-технической конференции: «Холод и пищевые производства», С.Петербург, 1996; на Межрегиональных научно-практических конференциях «Пищевая промышленность-2000» Казань, 1996, 1998; на Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» С.Петербург, 1998; на Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», Москва – Казань — Уфа, 1999; на конференци молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», Казань, 1998 — 2010; на совместном заседании президиума АН РТ и коллегии министерства и продовольствия РТ, Казань, 1996; на IV Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» г. Ставрополь, 2010; на III научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания», Челябинск, 2010; на II Международной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии пищевых производств», Воронеж, 2010; на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-23», Саратов, 2010; на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности», Бийск, 2010; на V научно-практической конференции молодых ученых, Магнитогорск, 2010; на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», Воронеж, 2010.
Результаты работы экспонировались на биотехнологической выставке «РосБиоТех» в Казани (2009, 2010). На этой выставке установка вибрационной cушилки-мельницы удостоена серебряной медали (2009), а способ получения пищевых порошков золотой медали (2010).
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 76 печатных работ, в том числе 14 статей в ведущих рецензируемых журналах и 5 патентов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная и практическая значимость, сформированы цели и задачи исследований и дан краткий обзор содержания диссертации.
В первой главе изложен методологический подход к исследованию технологических процессов, протекающих при сушке растительного сырья с сопутствующим измельчением с получением пищевых порошков, исследование свойств растительного сырья, как объекта сушки. На основании анализа химического состава, строения, питательной ценности, полезных свойств различных классов растительного сырья и широты применения как компонентов пищи произведен выбор необходимых и ценных представителей этих классов как объектов исследования. Выполнен обзор различных способов хранения растительного сырья, показаны их преимущества и недостатки. Представлен новый способ получения порошков из растительного сырья, при котором процесс сушки проводится с применением внешнего подогрева при сопутствующем измельчении и смешении в аппаратах вибрационного типа. Измельчение продукта в процессе сушки мелющими телами, загружаемыми в аппарате, постоянно обновляет поверхность испарения со свободной влагой, обеспечивая первый период сушки на все время процесса, а также исключает налипание частиц загрузки на греющую поверхность. Вибрационное перемешивание всей загрузки способствует выравниванию температуры и влажности во всем объеме загрузки и интенсификации теплообмена. Вакуумирование позволяет исключить перегрев материала, обеспечивая сохранение всех качеств исходного продукта. При этом для поддержания температуры высушиваемого материала производится подвод тепла через нагретую поверхность, компенсирующий теплоту парообразования и различные потери тепла. Непрерывный отсос паров испарившейся влаги поддерживает постоянный градиент концентрации влаги в аппарате.
Предложена конструкция вибрационной вакуумной сушилки – мельницы периодического действия, в которой реализован представленный способ получения порошков из растительного сырья (рис.1). Горизонтальный цилиндрический корпус с центральной трубой, в которой размещен на подшипниках вал двухмассного инерционного вибратора, установлен на упругих опорах.
Источник
