Исследование процесса сушки тыквы под воздействием акустической волны

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

Бухарский инженерно-технологический институт

На правах рукописи

УДК 664.047

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени магистра

Исследование процесса сушки тыквы под воздействием акустической волны

Специальность:- 5А320311 Машины и агрегаты пищевых производств

Юлдашев Буранжан Насуллаевич

Научный руководитель Х.Ф.Джураев

Бухара -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНО-ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ процесса сушки продуктов пищевой промышленности

1.2 Анализ инфракрасной сушильной установки

1.3 Анализ сублимационной сушильной установки

1.4 Анализ конвективной сушильной установки

1.5 Анализ кондуктивной сушильной установки

1.6 Современное состояние теории и практики сушки сельскохозяйственных продуктов

1.7 Применение АК методов подвода энергии в процесс сушки тыквы

1.8 Химический состав тыквы и ее использование для сушки

1.9 Цель и задачи исследования

Вывод по 1 главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Основы теории сушки тыквы под акустическим воздействием

2.2 Теоретическое обоснование акустической сушки

2.3 Преимущества и особенности акустической сушки

2.4 Перспективы реализации акустической сушки

Выводи по 2 главе

3. ЭКСПРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Описание экспериментальных установок для исследования процесса сушки плодов

3.1.1 Применение акустических колебаний для обработки продуктов и материалов

3.1.2 Акустические характеристики пищевых продуктов и материалов

3.2 Массовлагообменные характеристики сельскохозяйственных продуктов

3.3 Исследование инфракрасного и акустического сушильного аппарата для интенсификации процесса сушки сельскохозяйственных продуктов

Выводи по 3 главе

БИБЛИОГРАФИЯ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Наша независимая Республика Узбекистан процветает! Причина этого процветания это уникальное природно-климатическое условие нашего региона, трудолюбие нашего народа и по этапный переход к рыночный экономики.

Один из основных требований рыночной экономики это модернизация производства экспортоспособной продукции и снижение себестоимости готового продукта. Чтобы всё это осуществит, у специалистов требуется знания высшего уровня.

По объему производства плодоовощной продукции, фруктов и винограда Республика Узбекистан занимает ведущее место среди стран СНГ. Природно-климатические условия нашей Республике позволяют получить в течении года несколько урожаев многих видов овощей и других культур.

В настоящее время в нашей Республике производится около 5 млн. тонн плодоовощной продукции. Однако достигнутый уровень урожайности садоводства и объем производства плодов не в полной мере отвечает требованиям экономических преобразований, проводимых в республике.

Дальнейшие меры, принятые правительством под руководством Президента Республики Узбекистан И.А.Каримова от 20 октября 2008 года выведут уровень производства и переработки сельскохозяйственного сырья на новый более высокий этап развития. Указ Президента Республики Узбекистан «О мерах по оптимизации посевных площадей и увеличению производства продовольственных культур», где говорится о расширение посевов на богарных землях масличных, кормовых и бахчевых культур.

На пример в течении 9 месяцев текущего года произведено 4 871,5 тысячи тонн овощей (111% соответствующему периоду прошлого года), 1 370,4 тысячи тонн картофеля (110,6%), 933,4 тысячи тонн бахчевых (109%), 1 256,5 тысячи тонн плодов (110,3%), 723,2 тысячи тонн винограда (112%).

В комментарии к указу №УП-4041 говорится, что «Весьма показательным считается тот факт, что мировые цены на зерно по сравнению с 2006 годом выросли в два раза, а на овощи более чем в двое. В этих условиях становится всё более актуальнее задача стабильного и надёжного насыщения внутреннего потребительского рынка отечественными продовольственными товарами, увеличения объёмов их производства, расширение ассортимента и повышения качества». Далее говорится: «У нас сегодня имеются все основания, с учётом уникальных возможностей, которыми располагает Республика по выращиванию отличающихся высоким качеством редких по вкусу сортов овощей, винограда и дынь, обеспечить существенный рост экспорта этих культур и продуктов их переработки. Для этого у нас в стране имеются все необходимые условия и возможности».

Экономическое развитие страны, определяется такими направлениями, как создание высокотехнологических, энергосберегающих установок и технологии с оптимальным техническим воплощением.

Известно что плоды садовых и бахчевых культур, а так же продукты их переработки, пользуются устойчивым спросом как во внутреннем, так и во внешнем рынках. Согласно физиологической норме питания один человек ежедневно должен употреблять 7,5-8г сухопродуктов.

Улучшение продовольственного обеспечения основывается на интенсификацию производства, способствующих сбережению энергетических ресурсов, снижения потерь сырья, улучшения качества получаемых продуктов, которые требует разработки и внедрения новых высокоэффективных установок, совершенствование переработки в том числе и сельскохозяйственного сырья. Повышение эффективности отраслей сельского хозяйства взаимосвязан: с переработкой, хранением и транспортировкой продуктов питания. Поэтому одной из основных принципов экономического развития является переработка и хранения сельскохозяйственных продуктов.

Одним из основных способов переработки продуктов является сушка, которая относится к энергоемким процессам. Анализ показывает, что существующие сушильные установки -весьма дорогостоящи, энергоемки и иногда малоэффективны для осуществления процесса сушки овощей и фруктов, являющихся незаменимым источником важнейших физиологически активных веществ -витаминов, углеводов и минералов, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма человека.

Процесс сушки, заключающийся в удалении влаги из материала, с одной стороны, является одним из ключевых этапов различных технологических процессов, с другой стороны, одной из самых затратных стадий обработки материала. Качество и скорость реализации процесса сушки в значительной степени определяют качество и себестоимость конечного продукта.

Традиционные способы сушки чрезвычайно энергоемки и крайне не эффективны. Сушка, с использованием стандартных сушилок при высоком энергопотреблении, протекает продолжительное время и зачастую приводит к высокому проценту брака за счет перегрева или неравномерного высушивания. Решение же проблемы снижения потерь, улучшения качества получаемых продуктов требует разработки и внедрения новых высокоэффективных установок и технологий с оптимальным техническим воплощением.

Учитывая все эти обстоятельства, предлагаем нетрадиционные методы сушки овощей, который включает в себя акустотермической воздействии влажного материала. Повышение энергетической эффективности процесса производства сухопродуктов а именно в процессе сушки и сохранение важнейших физиологических активных веществ-витаминов, углеводов и минералов может быть успешно решена, путём применения импульсно -акустического воздействия на высушиваемый продукт, позволяющих создавать рациональные схемы использования энергии, утилизировать вторичные энергоресурсы, применять нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Преимуществом акустотермического метода, обработки воздействием акустических колебаний является сокращение времени сушки и повышения производительности аппарата, снижение энергетических затрат и себестоимости готового продукта, улучшение качественных показателей и увеличение выхода высушенных продуктов и срока хранения готового продукта, за счет обеспечения низкотемпературного режима сушки.

Акустотермическая обработка является специфической разновидностью процесса сушки, используемого при реализации многих технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Кроме того, обработка материала под воздействием ультразвуковых волн высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого материала.

Преимущество акустического метода сушки материала заключается: удаление влаги происходит практически без нагревания материала; -скорость сушки, по сравнению с известными и используемыми на практике способами сушки, выше в 2-2,5 раза; -акустическая сушка позволяет значительного сокращения энергетических затрат за счет ускорения время сушки до требуемой влажности.

Разработка оптимальных режимных параметров акустотермического метода сушки с импульсно - акустической обработкой влажного материала, позволяющей существенно сократить продолжительности процесса, снижения энергозатраты и повышения качество готового продукта, имеет важное значения для промышленного производства сухопродуктов.

Все это свидетельствует об актуальности задачи повышения эффективности процесса сушки овощей, основанного на применении прогрессивных методов энергоподвода с использованием последних достижений в области производства сухопродуктов. Решения этой задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.

Диссертационная работа состоит из введении, трех глав, выводы и рекомендации, приложения, список используемой литературы.

Цель магистрской диссертации. Цель диссертационной работы является интенсификации процесса сушки тыквы с применением акустическим воздействием на основе анализа закономерности перемещения частоты акустических колебаний во внутри высушиваемого материала.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-критический анализ теории и практики сушки овощей

-исследование физико-химических свойств и массообменных характеристик высушиваемого материала

-разработка методики расчета интенсивности процесса инфракрасно-конвективной -ультразвуковой сушки с учетом переменности параметров сушильного агента;

-проведение комплексных исследований и установление закономерностей процесса перемещения тепла и влаги по слоям высушиваемого материала под воздействием акустическом поле.

Научная новизна работы заключаются в следующем:

-установлены закономерности распространения акустических колебаний по толщине высушиваемого материала;

-для равномерного удаления влаги по всему объему высушиваемого материала предложена специальная форма сушильной камеры, который обеспечивает максимальная фокусировка ультразвуковых колебаний на поверхности материала;

-для равномерного удаления влаги по всему объему высушиваемого материала предложена специальная форма сушильной камеры который обеспечивает максимальна фокусировка ультразвуковых колебаний.

-изучено изменения температурных полей по толщине высушиваемого материала.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНО-ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ процесса сушки продуктов пищевой промышленности

Область применения сушильного оборудования в пищевой промышленности весьма обширна. На пример оборудование для сушки плодов и овощей, оборудование для сушки фруктов, зелени, грибов, ягод, дрожжей, зерна, круп, макарон и других продуктов пищевой промышленности.

В настоящее время для сушки таких продуктов, как овощи и фрукты, сушеная мясная и рыбная продукция применяется несколько различные (комбинированные или совмещенные) методы. Самыми распространенными являются следующие виды сушки продуктов:

-конвективная сушка продуктов;

-кондуктивная сушка продуктов;

-радиационная (инфракрасная и микроволновая)

-сублимационная сушка продуктов;

-акустическая сушка продуктов.

Инфракрасная сушка продуктов -современная экологически чистая технология сушки основана на использовании свойств инфракрасного излучения, безопасного для человеческого организма и окружающей среды. Высокая плотность инфракрасного излучения уничтожает вредную микрофлору в подвергающемся сушке продукте, благодаря чему сухопродукт сохраняется в течение длительного времени, без ухудшения потребительских свойств. Инфракрасная сушка продуктов с использованием инфракрасного излучения дает возможность осуществлять сушку в больших объемах и с высокой скоростью.

Микроволновая сушка продуктов -сушка таким методом позволяет решать актуальные задачи многих производств -сушить фрукты и овощи, зерно, лекарственные травы и др. продуктов. Кроме этого микроволновая технология позволяет повышать качество и получить пищевые красители, размораживать мясо, рыбу, овощи, ягоды и другие продукты питания, проводить бестемпературное консервирование, сушку рыбы, мяса и всех уже перечислявшихся продуктов, а также многое другое.

Сублимационная сушка продуктов -основана на заморозке продукта и помещении его в вакуум. При этом происходит испарение льда, т.е. вода переходит из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Сублимационная сушка продуктов хорошо подходит для производства небольшого количества высококачественной продукции, если имеется возможность понести большие начальные затраты.

Конвективная сушка продуктов -предполагает подвод тепла к поверхности обрабатываемого продукта. Тепло может подводиться, как за счет продувки нагретым воздухом, так и за счет теплового излучения. В процессе конвективной сушки тепло от поверхностных слоев передается в глубь за счет теплопроводности продукта.

Кондуктивная сушка продуктов -основана на передаче тепловой энергии подвергаемому сушке продукту путем непосредственного контакта с нагреваемой поверхностью.

1.2 Анализ инфракрасной сушильной установки

Наиболее актуальным и перспективным в промышленном применении в данный момент является сушильное оборудование осуществляющее сушку продуктов питания с применением инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение твердых тел обусловлено возбуждением молекул и атомов тела вследствие их теплового движения. При поглощении инфракрасного излучения облучаемым телом в нем увеличивается тепловое движение атомов и молекул, что вызывает его нагревание. Перенос энергии происходит от тела с большим потенциалом к телу с меньшим потенциалом. Для пищевых продуктов глубина проникновения инфракрасных лучей достигает 6-12 мм. На эту глубину проникает небольшая часть энергии излучения, но температура слоя, лежащего на расстоянии 6-7 мм от поверхности материала, растет значительно интенсивнее, чем при нагреве конвективным способом (см. конвективная сушка продуктов). Коротковолновые инфракрасные лучи оказывают более сильное воздействие на пищевые продукты как за счет большой глубины проникновения, так и более эффективного воздействия на молекулярную структуру продуктов. Инфракрасная сушка продуктов питания, как технологический процесс, основана на том, что инфракрасное излучение определенной длинны волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью высушиваемого продукта (и материалами, из которых изготовлено оборудование сушки), поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40-60⁰С), что позволяет практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов.

Возможная область применения инфракрасного оборудования для сушки в пищевой промышленности так же обширна. Ифракрасное оборудование применяется для сушки овощей и фруктов, мясного и рыбного сырья; инфракрасное сушильное оборудование широко применяется для сушки и производства пищевых полуфабрикатов, закусок и готовых блюд, а также продуктов быстрого приготовления. Стоит отметить что широко это оборудование применяется и для сушки непищевых продуктов.

Сушка продуктов инфракрасным излучением по данной технологии позволяет сохранить содержание витаминов и других биологически активных веществ в сухом продукте на уровне 80-90% от исходного сырья. При непродолжительном замачивании (10-20 мин.) обработанный инфракрасными сушильными установками продукт восстанавливает все свои натуральные органолептические, физические и химические свойства и может употребляться в свежем виде или подвергаться любым видам кулинарной обработки. Сушка овощей и фруктов таким способом дает возможность производства разнообразных пищевых концентратов быстрого приготовления: первые, вторые, третьи блюда, закуски, каши, крупы, овощные и фруктовые порошки, которые используются как компонент сухих смесей детского питания. По сравнению с традиционной сушкой (конвективная, кондуктивная сушка), овощи и фрукты, обработанные инфракрасной сушкой после восстановления обладают вкусовыми качествами, максимально приближенными к свежим. Кроме того, порошки, прошедшие инфракрасную сушку, обладают противовоспалительными, детоксирующими и антиоксидантными свойствами. Инфракрасная сушка дает продукты, не содержащие консервантов и других посторонних веществ, эти продукты не подвергается воздействию вредных электромагнитных полей и излучений. Само инфракрасное излучение, применяемое в сушильном оборудовании безвредно для окружающей среды и человека.

Инфракрасное сушильное оборудование изготовленное по данной технологии позволяет получать продукт, не критичный к условиям хранения и стойкий к развитию микрофлоры. Благодаря приобретаемым продуктами свойствам значительно вырастают их сроки хранения. Инфракрасные сушильные установки (оборудование для сушки овощей, оборудование для сушки фруктов и др.) дают сухопродукты, которые до года могут храниться без специальной тары (при низкой влажности окружающей среды), при этом потери витаминов составляют 5-15%. В герметичной таре сухопродукт может храниться до двух лет. Сушка продуктов дает их уменьшение в объеме в 3-4 раза, а в массе в 4-8 раз по сравнению с исходным сырьем (в зависимости от его вида).

Однако внимания заслуживают не только свойства получаемых сухопродуктов, но особенности сушильного оборудования, применяемого для сушки пищевых продуктов с помощью инфракрасного излучения и технологических процессов, основанных на этом принципе. С помощью технологии инфракрасной сушки влажных продуктов инфракрасное сушильное оборудование позволяет практически на 100% использовать подведенную к сухопродукту энергию. Поскольку молекулы воды, находящиеся в продукте, поглощают инфракрасные лучи и, возбуждаясь, нагреваются, то есть, в отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде продукта, чем достигается высокое КПД сушильного оборудования, то при таком подводе тепла нет необходимости значительно повышать температуру подвергающегося сушке продукта, и можно вести процесс сушки при температуре 40-60 градусов. Такая сушка продукта дает два преимущества: во-первых, при таких температурах в сушильных установках максимально сохраняется продукт: не рвутся клетки, не убиваются витамины, не карамелизируется сахар; во-вторых, низкие температуры не греют сушильное оборудование, то есть нет потерь тепла через стенки, вентиляцию. В то же время инфракрасное излучение при температуре 40-60 градусов позволяет уничтожить всю микрофлору на поверхности продукта, делая сухопродукт практически стерильным.

1.3 Анализ сублимационной сушильной установки

Обезвоживание с помощью сублимации -самый щадящий метод сушки. Лед при низком давлении, минуя жидкую фазу, переходит непосредственно в пар. сублимация происходит ниже тройной точки при остаточном давлении 1 -0,1 мм. рт. ст. Для лучшего сохранения ароматических веществ плодоовощную пасту необходимо медленно охладить до точки замораживания и в заключении как можно быстрее довести до температуры от -30 до 40°С. в результате получается продукт с гомогенной структурой, повышенной пористостью поверхности и более высокой проницаемостью.

Обезвоживание быстрозамороженных соков с помощью сублимации -самый щадящий метод сушки. Лёд при низком давлении, минуя жидкую фазу, переходит непосредственно в пар. Сублимация происходит ниже тройной точки при остаточном давлении 1-0,1 мм рт.ст.

Для лучшего сохранения ароматических веществ соки необходимо вначале концентрировать щадящим методом, затем при постоянном помешивании медленно охладить до точки замораживания и в заключение как можно быстрее довести до температуры от -30 до -40 °С. В результате получается продукт с гомогенной структурой, повышенной пористостью поверхности и более высокой проницаемостью.

Плодово-ягодные соки с сильным, свойственным им запахом и вкусом,например апельсиновые, грейт фруктовые, черносмородиновые, дают лучшие сухие продукты, чем виноградные или даже яблочные с их тонкими ароматическими веществами.

Промышленная сублимационная сушка проводиться в периодических, больших вакуум-камерах, или в непрерывно-действующих установках. Несмотря на хорошее качество порошков сублимационной сушки производство их ограничено высокой стоимостью процесса.

1.4 Анализ конвективной сушильной установки

Этот способ сушки получил широкое распространение. Сушильный агент выполняет функции теплоносителя и влагопоглотителя. Преимуществом способа является простота и возможность регулирования температуры материала. А недостатки его заключается в том что:

-градиент температуры направлен противоположно градиенту влагосодержания, что тормозит удаление влаги из материала;

-небольшие величины коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала [11,6-23,3 Вт/м² К].

Автором [1] предложен конвективный способ сушки вспененного продукта. Вспененный продукт слоем 3,2 мм наносится на перфорированную ленту. Продукт при обезвоживании проходит 5 зон сушки. В первой зоне воздух, подогретый до 60°С, продувается через ленту снизу и проходя через отверстия в нем, образует кратера в слое пены, что значительно увеличивает поверхность контакта продукта с теплоносителем. Во второй зоне происходит интенсивное удаление влаги. В третьей и четвертой зонах сушилки удаляется оставшаяся влага до конечной влажности 2-5 %. В пятой зоне продукт охлаждается воздухом. Скорость ленты 2,75 м/мин. Продолжительность сушки, включая охлаждение 120 мин. Недостатком данного способа является то, что при обработке пены происходит неравномерность прогрева и распределения влаги по высоте слоя, а также высокая продолжительность используемой техники.

1.5 Анализ кондуктивной сушильной установки

Кондуктивный способ сушки основывается на передаче тепла материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух служит только для удаления водяного пара из сушилки. Коэффициент теплоотдачи составляет 170-180 Вт/м² К. Контактная сушка имеет ограниченное применение. Отличается высокой интенсивностью и экономичностью.

В овощесушильном и консервном производствах применяется сушка под вакуумом. Для сушки продуктов питания этот способ используется не часто. Высокого качества конечного сухопродукта достичь не удается вследствие неравномерности влажности конечного продукта; продукт, контактирующий с нагретой поверхностью в период сушки, пересушивается, что приводит к необратимости процессов восстановления, а из-за высокой температуры (320-340 ⁰С) в камере сушильного оборудования, конечный сухопродукт теряет 30-40% витаминов и биологически активных веществ и становится ломким.

При кондуктивной сушке продукта тепло сообщается влажному материалу только от греющей поверхности и передается к открытой поверхности продукта с последующей отдачей его в окружающую среду. Количество тепла, полученное от греющей поверхности, расходуется на испарение влаги на потери тепла лучеиспусканием и конвекцией открытой поверхностью сухопродукта в окружающую среду. Доля этих потерь в общем расходе тепла невелика и составляет максимально 3-5%, что делает сушильное оборудование достаточно эффективным. Однако потребительские качества сухопродуктов и содержание в них исходных веществ делают этот способ сушки продуктов редко используемым.

1.6 Современное состояние теории и практики сушки сельскохозяйственных продуктов

При переработке сельхозпродуктов в консервной и овощесушильной промышленности в основном применяются механические и тепломассообменные процессы. Механические процессы (например, измельчение сырья) осуществляются для придания определенной формы и интенсификации последующих процессов (выпаривание, прессование, сушка и т.д.). Тепловая обработка применяется с целью увеличения клеточной проницаемости сырья, инактивации ферментов, гидролиза протопектина, удаления воздуха из растительной ткани.

При консервации плодоовощного сырья под действием тепломассообменных процессов в структуре сырья наблюдаются весьма сложные процессы. Плоды и овощи содержат углеводы, белки, жиры и другие ферменты. Поэтому в них протекает сложный комплекс биохимических процессов, ход которых оказывает значительное влияние на качество продуктов переработки сырья. Суммарное воздействие тепла и кислорода воздуха при переработке способствует активизации ферментной системы плода, что приводит к интенсивному протеканию нежелательных биохимических процессов - таких, как ферментативный гидролиз амигдалина, разрушение витаминов, которые, в свою очередь, обусловливают ухудшение свойств овощей а также отражаются на качестве получаемых продуктов.

В консервной промышленности для размягчения ткани плодоовощного сырья, повышения клеточной проницаемости и выхода сока предложен способ первоначально-тепловой обработки. Продукт обрабатывается ионизирующим излучением. Однако применение более высоких доз часто вызывает значительное размягчение плодоовощного сырья, а у винограда тёмнеет сок и ухудшается вкус. Поэтому в настоящее время этот способ не нашел применения в промышленности.

В консервной, пищеконцентратной, мясомолочной промышленности широкое распространение получил процесс сушки. Способ сохранения плодов и овощей с помощью сушки известен ещё со времен глубокой древности. Сушка не только сложнейший нестационарный процесс тепло - и массообмена, но и технологический процесс безотходной переработки плодов сельскохозяйственных культур. Высушенный продукт, особенно пищевой, должен иметь высокие качественные показатели.

В данной главе нами проведен анализ современных способов переработки и основных тенденций безотходной переработки сельскохозяйственных продуктов при одновременной интенсификации тепло -и массообменных процессов.

Сушка овощей в зонах их произрастания осуществляется в основном традиционным воздушно-солнечным способом, а на перерабатывающих предприятиях - конвективным способом. Воздушно-солнечная сушка - один из способов уберечь сырьё от порчи без затрат топлива, который до сих пор применяется во многих регионах мира с жарким и сухим климатом. Сушат сырье на специально подготовленных площадках, расположенных в зоне выращивания и оборудованных навесами, сортировочными столами, котлами, камерами для окуривания.

Однако этот способ обладает рядом существенных недостатков. На больших площадях укладывают и убирают продукт. При сушке происходит значительное загрязнение продукта и заражение насекомыми, грызунами. В результате в целях улучшения товарного вида плоды нуждаются в последующей обработке, что приводит к дополнительным затратам, снижению сортности готовой продукции, затрудняющей её реализацию.

Изучение патентной и научно-технической информации о технике сушки в СНГ и за рубежом позволило определить основные тенденции развития техники и технологии сушки плодоовощных продуктов. В области солнечной сушки - это повышение эффективности сушильных установок, использующих солнечную энергию за счет применения концентрированной солнечной радиации, аккумулирования солнечной энергии, теплового насоса.

Существующие сушильные установки можно разделить на сушилки с использованием аккумулированной солнечной энергии и камерные, солнечно-радиационные, комбинированные гелиосушилки. К первому типу относятся сушилки с параболическим зеркалом и сушилки с плоскими поверхностями.

Установка с использованием солнечной энергии представляет собой прямоугольное помещение с двухкаскадной крышей из лёгких панелей, которые хорошо пропускают солнечную радиацию. Задняя часть стены выполнена из металлических листов. Для продления сроков использования солнечной радиации здание ориентировано на юг.

В здании установлены круглые бункера, изготовленные из листовой стали, зачернённой снаружи, причём, в основание бункера засыпан гравий для аккумуляции тепла, верхняя часть бункера открыта. На поверхности гравия уложена металлическая сетка, а в основании имеются желоба, соединённые воздуховодом с вентилятором.

Под действием солнечной радиации металлические бункера, а также высушиваемый продукт нагреваются. Одновременно между стенкой и бункером нагревается поток воздуха, поступивший внутрь установки через регулируемые заслонки. Подогретый воздух направляется в верхнюю открытую часть бункера, где уложен продукт. Проходя через слой продукта, подогретый воздух удаляет влагу с его поверхности и отдаёт тепло гравию. Отработанный воздух всасывается через желоба воздуховодов вентилятором и отводится из сушильной установки в атмосферу. Аккумулированное тепло используется в вечернее время.

Сушка ведется концентрированным потоком солнечной радиации при высокой эффективности использования солнечной энергии. Один из недостатков данного вида сушилок состоит в сложности аппаратурного оформления способа и необходимости в течение дня изменять ориентацию концентратом солнечной энергии.

Особенностью сушилок с аккумулирующими устройствами является то, что в дневное время продукт высушивается солнечной энергией и нагретым воздухом, а в вечернее и ночное время -за счет аккумулированной теплоты. При этом в качестве аккумулятора используют твердые наполнители (гравий, горные породы и др.) и вещества с фазовым переходом. Сочетание аккумулирующих устройств и теплового насоса обеспечивает высокую эффективность процесса сушки плодов и овощей и в гелиосушилке с тепловым насосом. Применение теплового насоса, уменьшающего затраты первичной энергии за счет более рационального способа ее преобразования расширяет возможности использования солнечной низкопотенциальной энергии для сушки плодов.

Применение тепловых насосов в процессе сушки заметно возрастает. На рынке появляются многочисленные установки, предназначенные для этих целей. Одна из лучших работ по применению тепловых насосов в сушильных процессах проведена электротехническим исследовательским центром в Англии. Она продолжается и в настоящее время.

Отсутствие высокоэффективных и энергосберегающих установок не позволяет многим хозяйствам повысить их производительность. В настоящее время существующие сушильные установки являются громоздкими, энергоёмкими и занимают много места. Для многих хозяйств транспортировка сельскохозяйственных продуктов к месту сушки является невыгодной. Часть продукта во время транспортировки теряет свое качество.

Кроме того, за рубежом также проведены исследования, разработаны способы и устройства для сушки плодов и винограда с использованием солнечной энергии. Эти простые в эксплуатации и экономичные сушилки предполагается эксплуатировать непосредственно в зоне произрастания сельхозпродуктов.

Следует отметить, что в настоящее время предложенные устройства не нашли широкого практического применения, и основная доля сушеных плодов и овощей, получаемая в республиках Средней Азии, высушивается обыкновенной солнечной сушкой [269], длительность которой составляет 4-10 суток.

Еще одним из физических методов является искусственная сушка -конвективная сушка. Она основывается на передаче тепла высушиваемому продукту за счет энергии нагретого сушильного агента (воздуха или парогазовой смеси). Удельные энергозатраты составляют от 1,6 до 2,5 кВт.ч /кг. Температура сушильного агента при сушке продуктов составляет 50-80 ⁰С. Продолжительность процесса сушки нарезанных яблок при различных удельных нагрузках составляет: для туннельной сушилки 18-25ч., для паровой конвейерной сушилки 6-7 ч.

Гуляевой В.Н. предложен конвективный способ сушки вспененного продукта. Вспененный продукт слоем 3 мм наносится на перфорированную ленту, проходящую 5 зон. В первой зоне воздух, подогретый до 60⁰С, продувается через ленту снизу и, проходя через отверстия в нем, образует кратеры в слое пены, что значительно увеличивает поверхность контакта продукта с теплоносителем. Во второй зоне происходит удаление влаги. В третье и четвертой зонах удаляется оставшаяся влага до конечной влажности 2-5%. В пятой зоне продукт охлаждается. Продолжительность сушки, включая охлаждение, составляет 14 минут.

Недостаток данного способа состоит в том, что при обработке пены имеет место неравномерность прогрева и распределения влаги по высоте слоя, а также высокая продолжительность обработки.

В овощесушильном и консервном производствах применяется сушка под вакуумом. Опыты проведены в Московском технологическом институте пищевой промышленности на экспериментальной одновальцевой вакуум-сушилке ВВС-2 с нижним расположением ножа. Это -установка с кондуктивным теплоподводом. Процесс сушки проходил в камере, разрежение которой составляло 933-959 кПа. Производительность на 1 м² поверхности нагрева составляла 21,2 кг влажного материала в час.

При непрерывном методе пеносушки под вакуумом два или несколько замкнутых конвейера движутся по двум роликам в корпусе, сконструированном в виде трубы. Продолжительность пребывания в сушилке снижена до 15-30 мин. Остаточное содержание влаги 0,5-3 %. Пеносушка под вакуумом дает растворимые без осадка порошки высокого качества.

Процесс распылительной сушки исследован многими отечественными и зарубежными учеными и отражен в ряд работах. При распылительной сушке плодово-ягодных соков или гомогенатов из-за высокого содержания в них фруктозы порошок налипает на стенки сушильной башни. Добавляя большие количества вспомогательных сушильных агентов, которые в некоторых случаях могут составлять больше половины сухих веществ сока, или применяя дорогие дополнительные устройства, например, для охлаждения внешних стенок камеры холодным воздухом вентилятор или пневматическую досушку и охлаждение порошка, можно совсем или частично устранить трудности при сушке. Однако, несмотря на это, возникают большие потери ароматических веществ.

Щадящим методом сушки, распространившимся в начале 60-х годов прошлого века в лабораторных условиях, является высокочастотная сушка плодово-ягодных концентрированных соков. Путем применения переменного тока высокой частоты (5-27 МГц) получали под вакуумом (остаточное давление 25-50 торр) теплоту испарения диэлектрическим путем непосредственно в водной фазе высушиваемого плодово-ягодного концентрированного сока. Благодаря этому удается избежать перегрева от теплопередающих стенок и добиться равномерного нагревания продукта. Продолжительность сушки незначительна - 7-20 мин.

В области инфракрасного излучения существует способ воздействия селективного излучателя средне-и длинноволнового инфракрасного диапазона. В настоящее время данный способ обработки изучен недостаточно. Поэтому область его использования может быть оценена лишь в части видимой перспективы.

Следует отметить, что увеличение движущих сил процесса на всем этапе сушки плодов и овощей за счет повышения потенциала сушильного агента ограничивается их термоустойчивыми свойствами. Так, интенсивная высокотемпературная сушка плодов приводит к термической деструкции биологически активных веществ и к ухудшению качества продукции.

Другой путь интенсификации процесса сушки растительного материала -повышение его влагопроводных характеристик на основе изменения физико-химических свойств, что достигается применением различных способов предварительной обработки плодов и овощей. Последние можно разделить на биохимические, химические и физические.

Биохимические методы предполагают применение композиций, создающих микродефекты в оболочках растительных клеток. Из химических методов следует отметить обработку растворами кислот, щелочей, солями аммония, эфирными маслами, детергентами, буферными растворами, поверхностно-активными веществами и др. Биохимические и химические методы обработки применяют, в основном, для интенсификации сушки целых косточковых плодов (сливы) и винограда, что достигается за счет удаления воскового налета и повышения паропроницаемости поверхностного слоя.

Бланширование горячей водой или паром применяют при консервировании плодов и винограда. Однако для сушки половинчатых косточковых плодов и резанных бахчевых культур (дыня) этот процесс не находят широкого применения, и в технологической схеме производства некоторых видов сухофруктов (например, сушеных дынь) процесс бланширования не используется. Причиной тому служат, в основном, большие потери водорастворимых, ценных питательных веществ при бланшировании, а также изменения, ухудшающие восстановление сушеного продукта. В результате бланширования (водой и паром) массовая доля сухих веществ в плодах уменьшается из-за диффузии, а также вымывания сухих веществ. По данным Я.М. Казимирского, при бланшировании картофеля водой потери экстрактивных веществ составляют 15-19%, витаминов -34-37%, а при бланшировании паром - соответственно 12 и 27%. Каждый процент уменьшения содержания сухого материала вызывает фактически снижение количественного выхода продукции.

При сушке овощей сельскохозяйственных культур желательно предотвратить окисление фенолов, что способствует лучшему сохранению Р-витаминной активности, предотвращению потемнения материала и повышения товарной ценности готовой продукции. Для предотвращения окисления полифенолов, помимо бланширования, применяется химическая обработка плодов и овощей различными антиоксидантами (сернистым ангидридом, аскорбиновой кислотой и др.), которые подавляют деятельность окислительных ферментов. По технологической схеме производства сульфитированной продукции плоды перед сушкой окуривают сернистым газом в течение 1,5-2 часов или погружают на 3-4 минуты в раствор сернистой кислоты, содержащей 0,2-0,3% сернистого ангидрида. Остаточное содержание SO₂ в плодах перед сушкой должно быть 0,06-0,08%. Сульфитация придает продукции неприятный вкус, а остаточные содержание в плодах выше определенной нормы оказывает общее токсичное воздействие на организм человека. Кроме того, сернистая кислота разрушает витамин группы “В” .

В связи с тем, что сернистая кислота оказывает вредное физиологическое воздействие на организм человека, а также придает неприятные вкусовые качества обработанному продукту, возникает вопрос о замене ее другими антиоксидантами для инактивации окислительных ферментов. Однако проведенные многочисленные исследования показали, что полностью заменить сернистую кислоту в качестве средства антимикробного и антиоксидантного действия пока невозможно. Например, аскорбиновая кислота не является асептикам и обладая восстановительными свойствами при определенных условиях может оказать окислительное воздействие. При больших дозах аскорбиновая кислота, наоборот, усиливает потемнение продукта. Это объясняется тем, что аскорбиновая кислота разрушается, а продукты ее распада ( в том числе оксиметилфурфулол) образуют темноокрашенные соединения. Необходимо подчеркнуть, что некоторые антиоксиданты и асептики, применяющиеся за рубежом для обработки пищевых продуктов, запрещены в СНГ по причине вредного воздействия на организм человека.

Производство сушёных фруктов, овощей и плодов -один из наиболее экономичных способов переработки сырья. Затраты на сушку более чем в 2 - 3 раза ниже затрат на консервирование 1 тонны овощей.

В настоящее время исследуется более эффективные методы сушки, в том числе ИК-конвективный способ. Методы сушки изучены и отражены в работах ряда ученых. Предварительная обработка и последующая ИК-сушка производится с целью повышения интенсивности протекания процесса сушки, поскольку при этом значительно повышается коэффициент диффузии влаги внутри материала. В связи с повышением интенсивности внутреннего переноса влаги появляется возможность создать более жесткий режим в сушильной камере.

Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что в настоящее время вопросу подготовки овощей в том числе тыквы к процессу сушки уделяется недостаточное внимание. Однако, если задача повышения движущей силы процесса сушки плодов и овощей за счет сушильного агента ограничена термоустойчивыми свойствами материала, то интенсификация процесса обезвоживания может быть достигнута путем повышения его кинетических характеристик на основе применения эффективной безотходной энергосберегающей технологии, ориентированной на акустическим воздействием.

1.7 Применение АК методов подвода энергии в процесс сушки тыквы

Использование АК-воздействия в процессах сушки, позволяет существенно интенсифицировать внутренний и внешний тепло -и массоперенос в капиллярно-пористых материалах. Проникновение акустических колебаний глубь материала обусловливает интенсификацию процессов массопереноса и фазовых превращений, оказывает воздействие на структуру материала.

Метод акустического воздействия являющийся одним из перспективных физических методов обработки продуктов, находит все большее применение в различных отраслях пищевой промышленности, в частности, при переработке плодоовощного сырья.

Наибольшее применение, по сравнению с другими способами консервирования, получает метод ИК-энергоподвода для сушки плодов и овощей. Как указывает М. Дрибере, значительные преимущества сушки плодов и овощей ИК-лучами - простота конструкции установок и высокое качество продуктов -приводят к тому, что этот метод используется не только в странах с умеренным, но и с жарким климатом.

Наилучшим вариантом сушки плодов АК воздействием является применение АК в втором периоде сушки. Из технологических и биохимических оценок продуктов, высушенных АК воздействием, следует, что потери органических кислот и общих сахаров не превышают потерь при конвективной сушке, а внешний вид продуктов улучшается. Установлено, что в получаемых продуктах в высокой степени сохраняются биологически активные вещества: витамины А, Е и группы В -60-70%, витамин С -50-65%, незаменимые аминокислоты и микроэлементы - около 100%. Предварительные расчеты показывают, что использование нагрева ИК-лучами снижает стоимость 1 кг сушеного продукта в 2 раза по сравнению с конвективной сушкой.

Широко используются также комбинированные методы сушки, сочетающие конвективный и терморадиационный энергоподвод. Внесение в псевдоожиженный слой источника ИК-облучения создает благоприятное сочетание положительных свойств гидродинамического режима и радиационного нагрева. При этом продолжительность сушки овощей сокращается примерно в 1,7 раза по сравнению с длительностью сушки в псевдоожиженном слое. Таким образом, по результатам исследований и литературным данным, применяемая технология переработки сельхозпродуктов не снижает пищевой ценности сушеных продуктов, уменьшает вероятность появления в продуктах канцерогенных веществ.

Акустический метод сушки продуктов основан на воздействии на обезвоживаемый продукт интенсивных ультразвуковых волн. Данный процесс сушки носит циклический характер, волна выбивает влагу, находящуюся на поверхности продукта, затем оставшаяся влага равномерно распределяется по капиллярам и процесс повторяется снова. Это происходит до тех пор, пока продукт не достигнет заданной влажности. Акустический способ позволяет сушить широкий набор материалов: продукты сельского хозяйства (зерно, овощи, фрукты и другие), древесина, хлопок, лекарственные препараты и травы, бумага, продукция химической и других отраслей промышленности. При акустической сушке влага экстрагируется из подвергаемого сушке продукта под действием звука с соответствующими характеристиками. Принципиальная особенность способа: сушка продуктов протекает без повышения температуры продуктов. Реализуется "холодная" сушка. Это обстоятельство снимает все негативные последствия, связанные с термическим воздействием на сухопродукт. Именно поэтому это единственный способ сушки, пригодный для сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов. Обработка продуктов акустическими колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах сухопродукта (например, увеличивает всхожесть семян и др.). Сушка продуктов акустическим способом отличается от обычных методов и по скорости выработки сухопродукта. Например, при сушке ферментов (разрушающихся при температуре в 40 градусов Цельсия) в акустическом поле скорость сушки продуктов в сравнении с вакуумным методом повышается в 3-4 раза.

1.8 Химический состав тыквы и ее использование для сушки

Еще в древнем Египте лакомством считались тонко нарезанная тыква с яблоками и медом, политая лимонным соком с добавлением молотых орехов.

Тушеная тыква, растертая с творогом и сахаром, приправленная ванилином, является вкусным диетическим блюдом. Кроме того, из тыквы готовят пудинги, оладьи и даже торты (Лебедева А.Т.,2000).

Содержание различных веществ в тыкве в первую очередь зависит от сорта и региона выращивания. Это теплолюбивая культура, и для условий Центрально-Черноземного региона не все сорта приемлемы.

Из тыквы в домашних условиях приготавливают большое количество различных блюд. Это тыква маринованная, пюре и повидло из яблок и тыквы, соки из тыквы, тыква пикантная, жареная ломтиками, тушеная, компоты, плов и т.д.

В настоящее время для производства консервов с использованием тыквы разработано ряд технологических условий и технологических инструкций. Например, для выработки продуктов лечебно-профилактического назначения с использованием тыквы, моркови и фруктовых соков разработаны ТУ 61 РФ 01-246-2001 Консервы "Икра из овощей и плодов", ТУ 61 РФ 01-206-99 Консервы "Тыква протертая с сахаром", ТУ 61 РФ 01-218-2000 Консервы "Соки тыквенные с мякотью и сахаром" (нектары), ТУ 61 РФ 01-272-2001 Консервы "Соки с мякотью" и др. (Скрипников Ю.Г., Винницкая В.Ф., 2001).

Расход сырья на производство консервов зависит от содержания сухих веществ. Основной составной частью сухих веществ тыквы являются сахара и крахмал. В зависимости от сорта, зоны выращивания и степени зрелости в плодах тыквы содержание сухих веществ составляет 6-25%, сахаров -2,5-12%, крахмала -0-10% ( статья Скрипникова Ю.Г., 2003).

При использовании плодов для консервирования и сушки наиболее перспективным является сорт Мичуринская. Неплохие показатели и у сорта Витаминная, но урожайность плодов этого сорта в отдельные годы бывает низкой. Поэтому использовать для этих целей мало целесообразно.

Известно, что тыква используется для приготовления варенья, повидла, пасты, фарша, маринадов, соков, пюре. Кроме того, она идет на сушку. По данным авторов Ивановой Е.И., Санниковой Т.А., Мачулкиной В.А. сушеная тыква является ценным продуктом питания (Иванова Е.И. и др., 2003).

Химический состав плодов тыквы

Таблица 1.1.

Сорт	СЭВ, %	Содержание сахаров, %	каротин, мг %	витамин С, мг %	пектин, %	Крахмал, балл,%
		моносахара	дисахара	сумма сахаров
Миндальная 35	13	5,1	7	12,1	1,5	14,1	0,8	0,5
Мичуринская	20	4,68	13,09	17,7	6,5	29	1,5	5
Целебная	8	6,31	0,79	7,11	1,0	11	0,7	0
Витаминная	12	7	4,5	11,5	6,0	15	1,1	0,5

Из данных таблицы видно, что по всем показателям наиболее качественные плоды тыквы у сорта Мичуринская. По сравнению с сортом Миндальной 35 содержание сухих растворимых веществ превышает в 1,5 раза сумму сахаров, каротина, витамина С, крахмала выше в 1,4 раза по сравнению с другими сортами.

Самыми низкокачественными являются плоды сорта Целебная. По рассмотренным показателям качества плодов в 2,1-6,5 раза хуже по сравнению с сортом Мичуринская. Качество плодов сорта Витаминная по сравнению с сортом Миндальная 35 несколько лучше, а по сравнению с Мичуринской -ниже.

Выход сушеной тыквы, %

Таблица 1.2

Сорт	СВ	Отходы	Выход сушеной тыквы
		семена	плацента	кожура	всего
Миндальная 35	13	2,5	1,3	24,2	28,0	10,4
Мичуринская	20,2	3,7	0,6	17,2	21,5	16,2
Целебная	8	3,0	0,8	21,3	32,3	6,4
Витаминная	12	3,1	1,7	24,0	27,1	9,6

Из данных таблицы видно, что общие отходы в наименьшем количестве имеются у сорта Мичуринская (21,5%), наибольший -у сорта Целебная (32,3 %). Выход сушеной тыквы у сорта Мичуринская составляет -16,2 %, у Миндальной 35 -10,4 %, Витаминной -9,6% и Целебной-6,4%. По этим показаниям можно судить, что наименьший выход составил у сорта Целебная.

1.9 Цель и задачи исследования

В настоящее время разработано и используется большое количество сушильных установок, в которых используются различные способы подвода тепла и отвода влаги из высушиваемого материала.

Достаточно широкое применение нашли конвективные, кондуктивные и др. виды сушилок. В последние 10 лет начато более широкое использование нетрадиционных методов обогрева высушиваемых изделий, в частности, используются СВЧ(сверх высоко частотный) и ИК-методы нагрева. Современное развитие техники акустическая сушка свидетельствует о значительной перспективности использования их в сушильном деле.

Однако теоретические аспекты синтеза оптимальных процессов пока не дают достаточной возможности для исчерпывающего анализа сушки овощей сельскохозяйственных культур при нетрадиционных методов подвода тепла.

В настоящее время предложены балансовые уравнения для расчета процесса сушки на основе методов теории подобия и методов математического моделирования.

Актуальны дальнейшее решение вышеуказанных задач применительно к процессу сушки продуктов с целью сохранения питательных веществ и цвета продуктов в натуральном виде, а также реализация принципиально новых высокоэффективных сушильных установок, способствующих уменьшению энергозатрат, потерь сырья и повышению качества сушеного продукта.

Цель диссертационной работы является интенсификации процесса сушки тыквы с применением акустическим воздействием на основе анализа закономерности перемещения частоты акустических колебаний во внутри высушиваемого материала.

Вывод по 1 главе

На основе литературных исследований анализировано процесс сушки сельскохозяйственных продуктов. Изучена способы сушки, конструкции и принцип работы сушильных установок.

В настоящее время вопросу подготовки овощей в том числе тыквы к процессу сушки уделяется недостаточное внимание. Однако, если задача повышения движущей силы процесса сушки плодов и овощей за счет сушильного агента ограничена термоустойчивыми свойствами материала, то интенсификация процесса обезвоживания может быть достигнута путем повышения его кинетических характеристик на основе применения эффективной безотходной энергосберегающей технологии, ориентированной на акустическим воздействием.

Так как, проведенный анализ показывает, что по сравнению с другими способами консервирования, получает метод ИК-АК энергоподвода для сушки плодов и овощей.