VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Тонкое и сверхтонкое измельчение сырья в атмосфере воздуха приводит к интенсивному его окислению и разложению вследствие выделения тепловых потерь при энергонапряженном силовом воздействии на продукт рабочих органов механоактиваторов [1,2]. При этом теряется значительная часть витаминов, ароматических и питательных веществ, образуются агрегаты частиц порошков. Диспергирование в инертных средах способствует устранению указанных недостатков. Особое значение измельчение в инертной среде приобретает для соединений, имеющих сравнительно низкие температуры размягчения и обладающих высокой чувствительностью к тепловым режимам обработки. К ним относятся масла, пряности, шоколад, эфирномасличное растительное сырье, продукты для приготовления детского питания, плодово-ягодные порошки для приготовления напитков и соков, лимоны, апельсины и прочие ягоды, фрукты, мясные продукты для выработки колбас и др. Для энергоэффективного измельчения эти продукты необходимо охлаждать до температуры, при которой они становятся хрупкими и легко дробятся ударом или истиранием. Перевод пластических тел в хрупкие с помощью глубокого замораживания криогенными жидкостями значительно снижает расход энергии на измельчение, позволяет получить порошки с повышенным содержанием витаминов, ароматических и питательных веществ [3,..,6].

В мировой практике для быстрого замораживания пищевых продуктов используется широкий набор методов и соответствующих им технических средств. Методы замораживания условно можно разделить на три группы. Это методы, основанные на прямом контакте пищевого продукта с хладагентом; на использовании вторичной среды (хладоносителя), которая охлаждается хладагентом в специальных теплообменниках; на контакте продукта с хладагентом через металлическую поверхность.

Методы замораживания первой группы, использующие жидкие, твердые и газообразные агенты, объединены общим названием криогенный метод.

Вторая группа методов использует жидкие и газообразные хладоносители. В случае применения жидких хладоносителей (растворы хлористого кальция, поваренной соли, пропилен-гликоля и т. д.) выделяется погружной метод замораживания в не кипящей жидкости, газообразного, в основном, воздуха - воздушный метод.

Третья группа образует контактный метод через металлическую поверхность и используется в основном для продукта правильной геометрической формы или блока.

Следует выделить еще один, получивший распространение в зарубежной практике в последние годы, метод - комбинированный, который возник в результате различных вариантов комбинации криогенного и воздушного методов. Комбинированный метод позволяет недостатки одного компенсировать преимуществами другого.

В настоящее время в промышленном масштабе для замораживания пищевых продуктов используются следующие криогенные агенты: жидкий азот, диоксид углерода и хладон.

Основными преимуществами криогенного метода являются: малая продолжительность процесса, сохранение качества продукта, минимальные потери его массы за счет усушки без применения специальных упаковочных материалов.

Наибольшее распространение для замораживания продуктов получил жидкий азот, обладающий относительной инертностью, низкой температурой и высокими термодинамическими свойствами.

Замораживание пищевых продуктов жидким азотом в настоящее время осуществляется способами погружения и орошения.

Способ погружения продукта в жидкий азот применяется в основном для замораживания продуктов, имеющих сферическую форму, или для продуктов других форм, предназначенных для дальнейшего дробления. Это объясняется возникновением внутреннего напряжения в продукте, что приводит к образованию трещин. Отрицательным моментом данного метода является возможность накопления жидкого кислорода в ванне с жидким азотом, что может привести к самовозгоранию по мере испарения последнего.

С целью уменьшения расхода жидкого азота для замораживания используют метод орошения азота на продукт, который оказался более экономичным по сравнению с погружением. Для этой цели используются различного вида форсунки с большим конусом факела, которые могу производить распыление жидкого азота в мелкодисперсное состояние [6].

Анализ литературы показал высокую эффективность использования криогенной технологии на примере производства плодово-ягодных порошков из фруктов, ягод, а также отходов соковых и винных заводов, масел, пряностей, шоколада, эфирномасличного растительного сырья, продуктов для приготовления детского питания, плодово-ягодных порошков для приготовления напитков и соков, фруктов, мясных продуктов для выработки колбас и т.д. [3,…,6].

Предварительно раздробленные продукты перед измельчением подвергали сублимационной сушке в течение нескольких часов. Затем высушенное сырье охлаждали до температуры около - 196°С и помещали в измельчитель. В качестве измельчителя применяли криогенный диспергатор, работающий при температуре около -196°С. В результате помола частицы готового продукта имели размер 5-10 мкм.

Пищевые характеристики исходного продукта в полученных порошках остаются практически неизменными. Порошки хорошо сохраняются в герметичной упаковке, не теряют сыпучести, удобны для транспортировки, в том числе и в труднодоступные районы. Восстановленные соки имеют вкус натурального продукта. При сравнительном анализе традиционной («теплой») технологии и криогенной («холодной»), включающей сублимационную сушку и помол с использованием жидкого азота, установлено, что в исходных продуктах, а также в порошках, полученных при помощи различных технологий, контролировали активность витаминов (С, В₁, В₂, Е, каротина), содержание микроэлементов (К, Nа, Са, Мg, Р), сахаров (общее, глюкозы, фруктозы, сахарозы), органических кислот (яблочной, лимонной, винной), белка и общую обсемененность микроорганизмами. Выявлено, что криогенная технология позволяет сохранить в порошках практически без изменений витамины, микроэлементы, сахара, органические кислоты, тогда как при тепловой сушке сохраняется витаминов около 50%, а сахаров и органических кислот меньше соответственно на 10 и на 25-40%. Микробиологические исследования показывают, что высокое содержание в плодово-ягодных порошках сахаров (около 70%) и кислот (около 10%) делает их естественными консервантами и существенно снижает опасность их обсемененности микроорганизмами, даже при хранении порошков в течение 6 мес. в негерметичной упаковке их общая обсемененность не превышала 300 микроорганизмов на 1 г, что допускается нормами, существующими в пищевой промышленности.

Таким образом, криогенная технология позволяет получить плодово-ягодные порошки с повышенным содержанием биологически активных и питательных веществ. Эти порошки могут стать основой для создания высококачественных пищевых продуктов [3].

Большие возможности открываются для использования способа криогенного измельчения при переработке пряностей. Промышленная переработка пряностей осуществляется на пищевых комбинатах: Московском, Одесском, Ленинградском, Грязинском и Лидском, которые выпускают их в целом или в размолотом виде. Для помола пряностей по традиционной технологии в основном применяют молотковые дробилки с вращающимися ударными приспособлениями. В процессе помола, особенно в быстродействующих мельницах, из-за интенсивного трения образуется значительное количество теплоты, которая приводит к существенным потерям влаги и эфирных масел. С учетом того, что закупки по импорту пряностей в нашей стране достигают десятков тысяч тонн, потери эфирных масел в процессе их переработки равнозначны потерям валютных средств.

Наиболее эффективным и часто применяемым способом сохранения влажности и ароматических веществ в процессе переработки пряностей является способ, основанный на охлаждении продукта азотом при температуре -196°С. При этом молотый продукт и саму мельницу охлаждают циркулирующим газообразным азотом. Часть потока газообразного азота служит для дополнительного охлаждения и выноса продукта тонкого помола. За счет непрерывной подачи азота обеспечивается создание среды инертного газа. Потери эфирных масел при традиционной технологии переработки в зависимости от вида перерабатываемых пряностей и от наружной температуры могут составлять от 20 до 30%. Поскольку помол пряностей осуществляется в среде инертного газа, потери в результате окисления кислородом воздуха значительно сокращаются. Благодаря применению охлаждения в процессе помола лучше сохраняются летучие эфирные масла. При одинаковом составе исходного пряного сырья достигается повышение качества вырабатываемых изделий.

При низких температурах пряности становятся хрупкими, что способствует их тонкому помолу. Пряности тонкого помола лучше и равномернее распределяются в готовом продукте и приобретают высокую экстрактивность [5].

На рис. 1 представлено разработанное на кафедре «Энергообеспечение производств в АПК» СПбГАУ устройство, реализующее энергосберегающий электромагнитный способ формирования диспергирующих нагрузок и способ измельчения материала в инертной среде газообразного азота [7].

Установка работает следующим образом. Из загрузочного бункера 13 продукт транспортируется шнеком 11 в рабочую камеру электромагнитного измельчения. В рабочие камеры шнека и электромагнитного измельчения подаётся жидкий азот, вырабатываемый мембранным модулем 19 с компрессором 18КМ. В результате замораживания увеличивается хрупкость продукта, что снижает энергетические затраты на его диспергирование. Прин­цип действия электромагнитного измельчителя основан на нетрадиционным способе передачи меха­нической энергии слою размольных элементов с использова­нием квазиста­ционарного магнитного поля постоянного тока [8,9].

Электромагнитное поле создается в рабочей камере механоактиватора обмотками 5. В основе меха­низма созда­ния диспергирующего усилия лежит действие магнит­ных сил, при­тягивающих размольные элементы к поверхностям рабочих ор­ганов (внутренних цилиндрических поверхностей рабочего объема устройст­ва) и друг к другу с организацией их в различные структурные построения [9]. Кинетическая энергия движения сообщается мелющим телам 9 в процессе непрерывного объемного передеформирования и разру­шения их структурных построений при относительном сме­щении поверхностей 1 и 6 рабочего объема устройства. Целенаправленная пере­ориента­ция размольных элементов с разностью скоростей в структурных группах сопровождается созданием многоточечных контактных взаимодей­ствий между ними через прослойку обрабатываемого продукта. При силовом взаимодейст­вии мелющие тела преобразуют кинетическую энергию своего движения в энергию разрушения материала и измельчают его статическим сжатием и ударно-истирающими нагрузками.

Способ обеспечивает энергона­пряженный характер диспергирующих сил, легко подлежит автоматизации, требует ма­лых затрат мощности, что соответствует требованиям организации процес­са измельчения продуктов различного целевого назначения.

Рис. 1. Схема стенда «Электромагнитный криоизмельчитель»: 1-цилиндрическая емкость; 2 – загрузочный патрубок; 3 – разгрузочный патрубок; 4 – паз; 5 – обмотка управления (ОУ); 6 – ротор; 7 – паз; 8 – дополнительная ОУ; 9 – ферромагнитные размольные элементы; 10 – корпус шнекового транспортера – измельчителя; 11 – шнек; 12 – загрузочный патрубок транспортера – измельчителя; 13 – загрузочный бункер транспортера – измельчителя; 14 – корпус фильтрующего устройства; 15 – фильтрующий рукав; 16 – бункер для сбора готового продукта; 17 - отводящий штуцер; 18 – компрессор; 19 – мембранный модуль; 20 – патрубок выхода ненужных компонентов; 21 – отводной патрубок; 22 – штуцер

Наружный корпус выполнен из диамагнитного материала. Ротор изготовлен из магнитомягкого феррита TSF – 7099. Коэффициент заполнения рабочей камеры мелющими телами К=0,4 [10,11] Электромагниты 9 установлены ″отталкивающим″ полюсом в сторону входа в камеру, что позволяет исключить попадание в зону выгрузки положительно заряженных размольных тел. Над разгрузочным окном с заслонкой установлен ротаметр, позволяющий во время работы установки поддерживать заданный интервал разброса частиц путём регулирования ряда параметров: интенсивности электромагнитных полей, скорости вращения ротора и скорости подачи продукта. Встроенный в корпус рабочей камеры датчик температуры контролирует и поддерживает в рабочей камере температурный режим.

Разгрузочное окно перекрыто управляемой контроллером заслонкой, что поддерживает необходимый уровень заполнения рабочей камеры продуктом. Металлические примеси удаляются из зоны выгрузки выталкивающим электромагнитным полем, создавемым обмотками 5 и 8. Из разгрузочного патрубка продукт поступает по рукаву фильтра 15 в разгрузочный бункер 16. Фильтрующий рукав 15, расположенный внутри герметичной трубы с патрубком для подключения вакуум насоса, предназначен для разделения продуктов помола и испарений азота. Испарения азота направляются в мембранную установку на повторную очистки и сжижения.

Блок-схема стенда «ИСКУССТВЕННАЯ АТМОСФЕРА» представлена на рис.2. Технические характеристики стенда приведены в табл.1.

Таблица 1. Технические характеристики стенда «ИСКУССТВЕННАЯ АТМОСФЕРА»

Технические характеристики

Показатели

Исходная газовая смесь - атмосферный воздух Регулируемый расход исходной газовой смеси Диапазон расхода отбора пермеата Рабочее давление смеси в установке Давление в потоке отбора пермеата Давление в потоке отбора ретентата Концентрация кислорода в потоке отбора пермеата Концентрация азота в потоке отбора ретентата Относительная влажность на входах в мембранные модули Режим работы установки в составе стенда

2,0-4,0 нм /ч 1.0-2,0 нм /ч не более. 1,0 МПа 0,095-0, 105 МПа не более 0,125 МПа 35-45% об 95-99% об не более 85% продолжительный

Газовые добавки

 

Узел подготовки

Атмосферы

 

Электромагнитный измельчитель

Измерительный комплекс

Рис. 2 . Блок-схема стенда «ИСКУССТВЕННАЯ АТМОСФЕРА»

Электромагнитный криоизмельчитель предназначен для использования в лабораторных и производственных условиях для измельчения твердых и волокнистых материалов (например, высушенное любым способом плодово-ягодное сырье, пряности, зерна, водоросли, кормовые добавки и т.д.). Применение в качестве хладагента азота для охлаждения позволяет увеличить хрупкость материала (тем самым уменьшить дисперсность порошка, внедрить безотходную технологию), не допуская перегрева и окисления (благодаря инертной среде), сохранить качество и витамины исходного продукта, повысить производительность при одновременном снижении энергозатрат [12].

Список литературы

1. Беззубцева М.М., Мазин Д.А., Зубков В.В. Исследование тепловых характеристик аппаратов с магнитожиженным слоем // Известия СПбГАУ. -2011. -№ 24. -C. 371-377

2. Беззубцева М.М., Волков В.С.,Обухов К.Н. Исследование тепловых режимов электромагнитных механоактиваторов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований". 2013. №6,. С. 108 -109

3. Криогенное измельчение пищевых продуктов. Членов В.А., Харитонов Б.П., Николаев В.П., Кульмин М.П., Кудрявцев А.И. /Под ред.проф.д-ра техн.наук Членова В.А. 1992. выпуск 1. С. 1-32.

4. Криогенное измельчение при получении порошков сублимированных фруктов, их хранение и порошкообразные напитки на их основе. Б.И. Веркин, В.М. Дмитриев, Р.Ю. Павлюк. Препринт Физико-технического института низких температур АН УССР, Харьков, 1987, №21, С.1-47.

5. Криогенное измельчение фармацевтических и пищевых продуктов. Б.И. Веркин, М.В. Зиновьев, Л.В. Повстяный. Препринт Физико-технического института низких температур АН УССР, Харьков, 1985, №1, С. 1-25

6. Криогенное измельчение пряноароматического и лекарственного растительного сырья и возможности его применения в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности. Р.Ю. Павлюк, А.Е. Бутко, Ю.П. Благой. Препринт Физико-технического института низких температур АН УССР, Харьков, 1990, №13, С.1-26

7. Беззубцева М.М., Платашенков И.С., Волков В.С. Электромагнитный криоизмельчитель для диспергирования продуктов растительного происхождения

// Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий: Сб. науч. тр. СПбГАУ. – СПб. 2008. –С. 96-100

1. Беззубцева М.М., Волков В.С., Зубков В.В.ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТОВ С МАГНИТООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ //Фундаментальные исследования. –2013. –№ 6-2. С. 258-262

2. Bezzubtzeva M.M., Volkov V.S., Gubarev V.N. THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROCESSES STUDY IN FERRO-BODIES’ MAGNETO – LIQUEFIED LAYER OF ELECTROMAGNETIC MECHANO – ACTIVATORS (EMMA). International Journal Of Applied And Fundamental Research. – 2013. – № 2 – URL: www.science-sd.com/455-24425 (16.11.2013)

3. Беззубцева М.М., Мазин Д.А., Зубков В.В. Исследование коэффициента объемного заполнения ферромагнитной составляющей в аппаратах с магнитоожиженным слоем // Известия Санкт-Петербургского аграрного университета. -СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2011. – С. 371-377

4. Беззубцева М.М., Волков В.С.Оптимизация коэффициента объемного заполнения электромагнитных механоактиваторов (ЭММА) // Современные наукоемкие технологии. –2013. – №3. С 70-71

5. Беззубцева М.М, Мазин Д.А. Энергосбережение в электромагнитных механоактиваторах с использованием криотехнологий // Известия Санкт-Петербургского аграрного университета. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2009. №16. С.177-180

Код для цитирования: Скопировать