Непрерывная технология производства пищевых порошков из растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

664.8(031)

НЕПРЕРЫВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПОРОШКОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Н.З. ДУБКОВА, Э.Х. ТУХБИЕВА

Казанский государственный технологический университет,

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68; электронная почта: [email protected]

Разработана непрерывная технология получения пищевых порошков из растительного сырья совмещением сушки и измельчения в одном аппарате и непрерывная установка для реализации способа. Проведены экспериментальные исследования по определению среднего времени пребывания, производительности и средней скорости движения материала в корпусе в зависимости от рабочих параметров.

Ключевые слова: пищевые порошки, сушилка-мельница, сушка, измельчение, растительное сырье.

Одним из перспективных способов интенсификации процесса сушки растительного сырья является организация совмещенного процесса сушки и измельчения материала в одном аппарате, что позволяет непрерывно создавать новую поверхность и реализовывать сушку в первом, наиболее интенсивном периоде [1]. Совмещение процессов сушки и измельчения значительно снижает затраты энергии и себестоимость продукции.

Вибрационное измельчение мелющими телами позволяет получить тонкие порошки с большей удельной поверхностью за счет постоянного обновления поверхности испарения свободной влаги, обеспечивая период постоянной сушки практически до полного удаления влаги. Помимо этого, мелющие тела являются дополнительными источником тепла и поверхности испарения. Вибрация способствует циркуляции загрузки, выравниванию температуры и влажности во всем объеме загрузки и интенсификации теплообмена.

Способ получения порошков из растительного сырья [1, 2] и технологические параметры периодического процесса исследованы для вакуумной сушилки-мельницы и реализованы в промышленном аппарате.

Эксплуатация промышленной вибровакуумной сушилки-мельницы показала ограниченность применения периодических аппаратов, прежде всего по производительности - применение таких аппаратов возможно для малотоннажных производств (получение порошков из лечебных трав, пряностей и т. п.).

Одно из направлений интенсификации технологических процессов - переход от периодического к непрерывному производству. Организация непрерывной вакуумной сушки растительного сырья связана со значительными усложнениями системы загрузки и выгрузки аппарата: появляется необходимость снабжения установки сложными по конструкции и обслуживанию шлюзовыми затворными устройствами. Исключением вакуума при сушке можно избежать этого, а интенсифицировать теплообмен комбинацией контактного и конвективного подвода тепла к объекту сушки при интенсивном перемешивании последнего, а также избыточной загрузкой аппарата из расходного бункера за счет естественного подпора столба подготовленного сырья без дозирующих устройств и поддержания начального коэффициента заполнения аппарата, равного

единице. На основании этого разработана конструкция непрерывной сушилки-мельницы [3].

Поскольку измельчение сырья происходит значительно быстрее, чем сушка [4], в аппарате образуется жидкая масса высокой влажности. При круговой вибрации, начиная от угла поворота дебаланса л, корпус аппарата начинает двигаться вниз и на частицы загрузки действует центробежная сила, направленная вверх, и сила тяжести, направленная вниз.

Чтобы найти условия отрыва слоя жидкости от нижней части корпуса и движения вверх аналогично шарам, необходимо рассмотреть модельную задачу (рис. 1). Жидкость находится в стакане 1, который движется вниз с ускорением а. В неподвижной системе отсчета 0’£ уравнение движения слоя жидкости (уравнение движения потока) имеет вид

=-т. я-(р, -р *.

(1)

где Мж - масса жидкости в стакане; ^ - скорость слоя жидкости относительно неподвижной системы отсчета 0’£ (относительно Земли); Рк - давление в жидкости на свободной поверхности £ = Н + Н; Н - расстояние от дна аппарата до начала отсчета 0’£; г - время; Н - толщина слоя жидкости; Ро - давление жидкости у дна стакана; 5 - площадь свободной поверхности жидкости (и дна стакана).

Чтобы выяснить, как движется слой жидкости относительно стакана, введем подвижную систему координат 0х жестко связанную со стаканом.

Связь между системами координат 0’£ и 0х имеет вид

£ = Н (г) + х т. е. + Ух, (2)

? йг

где ух - скорость слоя жидкости относительно дна стакана.

Зададим закон движения стакана относительно Земли в виде

Н = И - - г2 а, 2 '

(3)

где И - расстояние до дна стакана в начальный момент времени.

Тогда можно легко убедиться, что в соответствии с ним стакан движется вниз с постоянным ускорением а. Подставив (2), (3) в (1), получим

т.

йм / ч

= т. а - т. я-(р,- Р0 )£ •

(4)

т

ж

Рис. 1

Таким образом, на объем жидкости V = Н5 массой тж действуют: сила инерции шжа; сила тяжести т^ и результирующая сила, обусловленная давлениями сверху и снизу объема жидкости (Рк - Р0) 5. Знаки перед соответствующими силами указывают направление их действия.

Уравнение (4) можно представить в виде

йг

= я

а-1-р,- Ро 5

я тж я

(5)

Условие возможности отрыва жидкости от дна стакана определяется неравенством

а--я

р — р

рк р0

тж я

(6)

Учитывая, что шж = рН5 (р - плотность жидкости), можно преобразовать неравенство (6) к виду

а

- > 1+ Рк я

р

РИя

(7)

Если бы жидкость оторвалась от дна стакана, то в этой области между жидкостью и дном возникло бы разряжение, т. е. Р0 « 0.

С учетом этого неравенство (7) примет вид

Р_. РИя

(8)

влажная пюреобразная масса, которая скапливается на дне аппарата и при высокой влажности (более 30%) не циркулирует вместе с мелющими телами.

В связи с этим предложена усовершенствованная конструкция непрерывной сушилки-мельницы, которая состоит из корпуса, представляющего собой горизонтальный секционированный перфорированный перегородками 4 барабан 1, имеющий теплообменную рубашку 2 (рис. 2).

Корпус последней секции барабана имеет отверстия для выхода теплоносителя из рубашки в корпус. Барабан установлен на упругих опорах 5, обеспечивающих круговые колебания корпуса, для создания которых к корпусу прикреплен двухмассный инерционный вибратор 3.

Загрузочное устройство состоит из расходного бункера 6, загрузочного рукава 7 и патрубка для отвода сушильного агента 8. Загрузочный рукав выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров, изготовленных из гибкого материала, причем внутренний цилиндр перфорирован по всей длине, а внешний - сплошной, присоединен к штуцеру 8 для выхода сушильного агента. Сушильный агент подается в рубашку 2 через штуцер 12, выгрузка готовой продукции происходит через перфорированную торцевую стенку 10 корпуса, патрубок 11 и затвор 13.

Подготовленное сырье загружается в расходный бункер и попадает в барабан 1. При этом в бункере и загрузочном рукаве находится исходное сырье для поддержания в начале барабана коэффициента заполнения 1. Инерционный вибратор приводит корпус в круговое колебательное движение. Загрузка при этом приводится в состояние интенсивного перемешивания, что способствует эффективному теплообмену между нагретой стенкой корпуса и загрузкой.

Горячий воздух подается в теплообменную рубашку через штуцер 12 и нагревает корпус барабана, а дойдя до перфорированной зоны барабана, попадает внутрь последнего - в зону конвективного теплообмена. Увеличение площади сечения движения сушильного агента при переходе из рубашки в корпус значительно снижает его скорость, способствуя более полному и длительному во времени контакту и теплообмену между ним и частицами, находящимися во взвешенном состоянии, что интенсифицирует процесс сушки. Су-

Пример: а/g = 7, Рк = 0,1 • 105 Па, р = 103 кг/м3 (вода), g = 9,8 м/с2. Из (8) следует, что для отрыва от дна необходимо, чтобы Н > 0,16 м.

Таким образом, чем тоньше слой жидкости, тем труднее его оторвать от дна, т. е. тем больше должно быть ускорение а, согласно неравенству (8). Этому в основном мешает не столько сила тяжести, сколько давление Рк, которое прижимает жидкость к дну.

Если на дне не сплошная среда, а сыпучая, то за счет пор давление на дне Р0 примерно равно Рк, т. е. (8) приобретает известный вид a/g > 1. Как правило, это условие всегда соблюдается и не сплошная среда легко отрывается от дна.

Однако в непрерывной сушилке-мельнице при измельчении влажного растительного сырья образуется

Рис. 2

шильный агент, пройдя через весь корпус, попадает в зону, полностью заполненную исходным влажным продуктом, где предварительно нагревает его и полностью очищается от уносимой мелкой фракции готового порошка, которая налипает на влажную поверхность частиц исходного продукта. Очищенный, охлажденный и насыщенный парами влаги сушильный агент удаляется через штуцер 8.

В секции I корпуса при вибрационном воздействии происходит раздавливание растительного сырья и получение жидкой пюреобразной массы. После того, как частицы растительного сырья в результате измельчения приобретают определенный размер, они переходят в следующую секцию барабана. Перегородка между секциями I и II выполнена сплошной в нижней половине и перфорирована в верхней половине с отверстиями, меньшими по размеру подготовленных частиц исходного сырья и мелющих тел секции I. Таким образом, в следующую секцию корпуса переходит только измельченная растительная масса, а сплошная жидкая среда остается для подсушивания в секции I.

В секциях II и III образуется пористая дисперсная среда в виде частиц измельченного сырья и шаровой загрузки с развитой поверхностью испарения влаги, находящаяся во взвешенном состоянии, при этом частицы сырья продолжают измельчаться и сушиться, получая тепло, контактируя с нагретой стенкой корпуса и нагретыми шарами и от сушильного агента. Этим обеспечивается интенсивное удаление испарившейся поверхностной влаги частиц при их контакте с нагретой стенкой корпуса и за счет конвективного подвода тепла от сушильного агента.

Повышение эффективности получения сухих порошков с узким диапазоном дисперсности достигается возрастанием скорости удаления влаги, благодаря исключению сплошной жидкой среды из последующих секций за счет сосредоточения ее только в секции I барабана.

Проведены экспериментальные исследования движения загрузки в непрерывном вибрационном аппарате на лабораторной установке (рис. 3). Две трубы 1 длиной в пять диаметров каждая жестко соединены между собой в вертикальной плоскости, имеют загрузочные и выгрузочные отверстия и продольный разъем на 1/3 радиуса в верхней части. Конструктивно элементы связи выполняют роль каркаса, на которых смонтирован инерционный вибратор и упругие опоры, жестко закрепленные к основанию 2.

Дебаланс инерционного вибратора 3 выполнен в виде двух дисков со смещенными отверстиями для их соединения между собой и посадки на вал вибратора. Поворот дисков относительно друг друга позволяет изменять эксцентриситет центра масс дисков. При этом меняется величина дебалансного момента, что определяет амплитуду колебаний корпуса. Частота колебаний корпуса изменяется соответствующим передаточным отношением ступенчатой ременной передачи с помощью сменных шкивов 5. Число оборотов вала вибратора регистрируются стробоскопом СТ-5. Коэффициент заполнения корпуса регулируется установкой соответ-

ствующих перегородок 4, обеспечивающих требуемое значение параметра.

Для описания характера потока внутри аппарата используется принцип «черного ящика» [5] и определяется распределение времени пребывания трассера в непрерывном вибрационном аппарате. При установившемся выходном потоке гранулированного полиэтилена белого цвета, подаваемого дозирующим устройством в аппарат, наносится импульсное возмущение введением трассера в виде черных гранул того же материала в поток на входе в аппарат. Время выхода каждой частицы на всех режимах работы вибросмесителя фиксируется и рассчитывается функция распределения времени пребывания (С-кривая). Обработка С-кривых позволила определить среднее время пребывания ( ) материала в аппарате при различных рабочих параметрах (A, ю, кзап) установки. В каждом опыте измерялась производительность (пропускная способность Q) аппарата.

По производительности и габаритам смесителя с учетом коэффициента заполнения корпуса рассчитана средняя линейная скорость транспортировки материала WL. Оценка точности результатов исследования произведена сравнением реальной (800 мм) и расчетной (L = WL) длин аппарата. Среднеквадратичное отклонение составляет S = ±0,186 или AL = ±0,0064 м (±8%).

Методом Брандона найдены зависимости среднего времени пребывания, производительности и средней скорости движения материала в корпусе от рабочих параметров.

_ = 1,009 (-339,49 + 689,44 кзап + 432,33 кз2т)х х(3,74 - 4,02.4 + 1,38842)(3,2708 - 0,0123ю +1,58 • 10-V);

Q = 1,609 (2111,37 - 1905,79 кз!Ш - 157,81 кз2ш)х х(-1,497+ 4,5674 - 1,87542)(-2,617+ 0,0195ю - 2,063 • 10-5ю2);

WL = 1,015 (30,962 - 54,93 кз!Ш + 24,367 кз2ш) х х(-1,107+3,84594 -1,35842)(1,0662- 0,00259ю + 6,3327 • 10-6ю2).

Данные зависимости были проверены на адекватность сравнением расчетных и табличных значений критериев Фишера. Установлено, что полученные уравнения адекватны эксперименту.

I

(АВ)СЛ

Рис. 3

По этим уравнениям можно выбрать параметры вибрации для данных габаритов корпуса, позволяющие обеспечить время пребывания, требуемое для сушки сырья с различной начальной влажностью до требуемой конечной, при соответствующей производительности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Галиакберов З.К., Николаев Н.А., Галиакберова Н.З.

Получение сухих порошков из растительного сырья // Пищевая пром-сть. - 1995. - № 9.

2. Пат. 2064477 РФ. Способ получения порошков из растительного сы1рья / З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Н.З. Галиакберова // БИ. - 1996. - № 21.

3. Пат. 2229340 РФ. Вибрационная шаровая мельница / Н.З. Дубкова, Г.И. Иванова, З.К. Галиакберов и др. // БИПМ. - 2004. - № 15.

4. Иванова Г.И., Дубкова Н.З., Галиакберов З.К., Николаев Н.А. Кинетика измельчения в вибрационной сушилке-мельнице при производстве порошков из растительного сы1рья // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2002. - № 5-6. - С. 270-271.

5. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. - М.: Химия, 1976. - 463 с.

Поступила 15.04.10 г.

UNCEASING TECHNOLOGY OF THE FOOD POWDER PRODUCTION FROM PLANT RAW MATERIAL

N.Z. DUBKOVA, E.KH. TUKHBIEVA

Kazan State Technological University,

68, K. Marksa st., Kazan, 420015; e-mail: [email protected]

Unceasing technology of the reception food powder from plant raw material by joining of the drying and pulverizing in one device is designed and installation for realization of the way is developed. The experimental studies on determination of the average time of the processing, capacity and average velocity of the moving the material in the device depending on operating parameter were conducted.

Key words: food powder, dryer-mill, drying, pulverizing, plant raw material.

664.87; 663.94

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕКЛЫ И ТОПИНАМБУРА В ТЕХНОЛОГИИ СУХИХ КОНЦЕНТРАТОВ КОФЕЙНЫХ НАПИТКОВ

А.А. ЧУМАК, Г.М. ЗАЙКО, В.Н. МАМИН, Н.С. ГРИЦЕНКО, А.Г. ТЕТЕНЕВА

Кубанский государственный технологический университет,

350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; тел.: (861) 255-84-11, электронная почта: [email protected]

Разработана технология получения порошков из свеклы и топинамбура со вкусом и ароматом кофе. Проведены исследования для подтверждения соответствия полученных продуктов классу кофейных напитков.

Ключевые слова: свекла, топинамбур, концентраты, кофейные напитки.

На кафедре технологии и организации питания КубГТУ разработана технология концентратов кофейных напитков из свеклы столовых сортов и топинамбура. Она включает мойку исходного сырья, последующую обработку поверхности паром, измельчение путем дробления до кубика с размером ребра 7-10 мм, сушку измельченного сырья при температуре 70-75°С до влажности 7-9%, измельчение высушенного сырья до порошкообразного состояния, обжаривание порошка из свеклы при температуре 140°С в течение 6 мин, порошка из топинамбура при температуре 180°С в течение 4 мин, охлаждение, фасование готового продукта. Изучены кинетические закономерности процесса сушки [1].

Для подтверждения соответствия полученного продукта классу кофейных продуктов нами проведены исследования по идентификации цвета, аромата и вкуса.

Цветообразующие вещества определяли исследованием на электронном спектрофотометре образцов водных экстрактов порошков из корнеплодов, полу-

ченных при обжаривании в диапазоне температур 80-200°С, с интервалом 20°С, с концентрацией вещества от 6 • 10-2% до 3,3 • 10-5%. За эталон был выбран экстракт промышленного кофе Nescafe. Полученные электронные спектры поглощения ультрафиолетового излучения анализировали по наличию пиков и плеч избирательного поглощения.

УФ-спектры водных экстрактов порошков, полученных при обжаривании порошка из свеклы при 140°С в течение 6 мин (кривая 1), порошка из топинамбура при 180°С в течение 4 мин (кривая 2) имели пики поглощения в диапазоне 285-290 нм (рис. 1, а). Указанные пики показали образцы, отмеченные лучшими органолептическими характеристиками. Образцы, полученные при более низких температурах, оказались спектрально прозрачными.

На спектрограмме растворимого кофе Nesсafe максимум поглощения также располагался в интервале 285-290 нм (рис. 1, б: кривая 1). Аналогичные исследования были выполнены для кофейного напитка Нев-