Разработка технологии вакуумного охлаждения и замораживания пищевых продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Данная дипломная работа посвящена разработке технологии вакуумного охлаждения и замораживания пищевых продуктов. В качестве исследуемого объекта использовали воду.

В первом разделе приведён литературный обзор и постановка задачи исследования.

Во втором разделе разработана схема, произведен тепловой и конструктивный расчет и подбор элементов холодильной установки.

В третьем разделе рассмотрены методики проведения эксперимента в условиях вакуума и принудительной конвекции воздуха, результаты исследования и анализ полученных данных.

По данным экспериментальных исследований получены выводы о возможностях работы данной установки.



Введение

Многим людям, а в индивидуальности тем, которые, так или иначе, связаны с пищевой индустрией известно, что свойство продукта поступающего на линию научно - технологического процесса или покупателю, находится в зависимости во многом от того, какие виды морозильной обработки были над ним осуществлены. От того, как охлаждался, замораживался, а впоследствии, в каких условиях осуществлялось хранение продукта, зависит конечное его состояние. До сих пор во всем мире создаются новые или подвергаются улучшению известные способы замораживания. Главной характеристикой замораживания, это скорость. Всем известно, что от скорости замораживания зависит качество конечного продукта, так как при быстрой заморозке усушка его минимальна, в нем сохраняется максимум полезных веществ и структура тканей свежего продукта. За счет скорости замораживания сокращается и периоды активности бактериологической среды. При медленной же заморозке в продукте появляются и остаются следы жизнедеятельности бактерий. Что касается вкусовых качеств и пищевой ценности, то они остаются неизменными, так как из-за предотвращения высыхания при быстрой заморозке ароматические и питательные вещества не успевают выйти из продукта. Поэтому для качественной заморозки важно использовать такой способ и оборудование, которые позволят ускорить процесс замораживанияВэтом отношении вакуумный способ замораживания является сегодня весьма актуальным, потому что имеет ряд важнейших преимуществ по сравнению с обычными, традиционными способами, а именно:

-уменьшение потерь массы продукта;

-значительная экономия времени и энергоресурсов;

-повышение качества продукта;

-быстрая окупаемость оборудования.

Вакуумное замораживание основано на том, что при создании разряжения происходит испарение части воды, содержащейся в продукте, за счет чего он замораживается. Данный способ был исследован многими учеными (Д. Г. Рютов, Д. А. Христодуло , А. А. Соколов, В. И. Ивашов, Н. А. Головкин, Г. Б. Чижов, В. М. Горбатов, А. П. Шеффер, Р. Планк, Г. Раймонд и др.).

Таким образом, можно сказать, что способ заморозки существенно влияет на качество продукта. С другой стороны, хорошее качество свежемороженых продуктов (мясо, рыба, полуфабрикаты и т. д.), сохраняемое при замораживании и холодильном хранении, может быть полностью утрачено в процессе неправильного и неконтролируемого размораживания. Например, при размораживании рыбы влага, образующаяся при таянии льда, полностью или частично поглощается клетками ткани.

Клетки увеличиваются в размерах, и происходит некоторое восстановление свойственной рыбе структуры мышечной ткани, однако такие свойства, характерные для свежей рыбы, как прочность на разрыв, эластичность, упругость тканей, оказываются полностью или частично утраченными. Наиболее достоверным показателем обратимости свойств, при размораживании, является величина потерь тканевого сока.

При быстром размораживании рыба имеет сочную консистенцию и приятный вкус после варки.

Предприятия пищевой промышленности применяют в настоящее время несколько способов размораживания, при которых теплоносителями являются воздух, паровоздушная среда, вода и рассол. Известны также способы размораживания с помощью ультразвука, инфракрасных лучей, электрического тока высокой, сверхвысокой и промышленной частоты и под вакуумом.

Существующие способы размораживания могут быть разбиты на три основные группы.

К первой группе относятся все методы, основанные на использовании теплопередающей среды (теплоносителя) с различными теплофизическими свойствами, при ведении которых всегда имеет место температурный градиент, т. е. используется конвективный нагрев паровоздушной смесью, в жидкости, в среде насыщенных паров и т. п.

Вторая группа -- методы размораживания, в основе которых нагрев путем преобразования энергии того или другого вида в тепловую энергию непосредственно в обрабатываемом продукте. К таким видам энергии относятся энергия электрического поля различной частоты и энергия ультразвуковых колебаний. С использованием энергии переменного электрического поля нагрев продукции при определенных условиях может осуществляться равномерно по всему объему, т. е. происходит безградиентный нагрев.

В третью группу входят комбинированные методы, использующие одновременно конвективный и безградиентный нагрев. При комбинированном способе размораживания может использоваться воздушный, микроволновый, вакуумный, электроконтактный и другой нагрев.

Проектируемая холодильная установка позволит осуществить размораживание в вакууме, т.е. метод, относящийся к третьей группе способов размораживания.

В данном проекте будет осуществлен расчет холодильной установки, который состоит из подбора теплоизоляции и определения теплопритоков в холодильную камеру, подбора холодильного оборудования и приборов измерения и регулирования. Проектирование установки производится с целью проведения дальнейших исследований. Результаты исследований покажут на деле, насколько эффективен способ замораживания и размораживания продуктов в вакууме.



1.Литературный обзор

1.1 Вакуумное охлаждение

Вакуумное охлаждение применяют сравнительно недавно, но оно является весьма перспективным. Сущность его заключается в следующем. Над охлаждаемыми плодами или овощами создают разрежение, при котором из тканей интенсивно испаряется часть влаги (1--2%), на что расходуется значительное количество их внутреннего тепла и поэтому они быстро охлаждаются. Практически вакуумное охлаждение осуществляется в специальных металлических камерах, где с помощью многоступенчатых пароэжекторных машин создается вакуум. Охлаждаемые продукты, уложенные в картонные коробки -- контейнеры, устанавливают на тележки и вкатывают в камеры. Затем камеры герметически закрывают и начинают процесс охлаждения. Длится он 15--20 мин. Такой способ применяют и для охлаждения плодов и овощей непосредственно в вагонах. Для этого пользуются большими вакуумными камерами, вмещающими железнодорожные вагоны. Процесс охлаждения происходит тоже очень быстро. При достаточно глубоком вакууме вагон овощей охлаждается за 25--30 мин. [3]

Пока вакуумным охлаждением относительно широко пользуются в США, главным образом для овощей с большой поверхностью, например, для салата, шпината, листовой петрушки и др.[3]

Сущность процесса замораживания. Замораживание, как физическое явление, представляет собой превращение в лед влаги, содержащейся в продукте, вследствие понижения его температуры ниже криоскопической точки. [3]

Продукт подвергают замораживанию для сохранения его полезных свойств и качества, так как в результате этого процесса сводятся к минимуму физические, биохимические и микробиологические изменения, протекающие в продукте. Достигается это благодаря снижению температуры продукта и превращению большей части воды в лед. Снижение температуры ниже точки замерзания тканевой жидкости замедляет рост и жизнедеятельность многих микроорганизмов. Превращение воды в лед, сопровождающееся ростом концентрации растворимых веществ, снижает биологическую активность воды в продукте до предела, при котором невозможен рост большинства микроорганизмов. [3]

Химические реакции также замедляются при снижении температуры. Однако в отличие от микробиологической деятельности организмов они продолжают протекать даже при низких температурах хранения. [3]

С другой стороны, превращение воды в лед вызывает комплекс физических и физико-химических изменений, которые, в свою очередь, вызывают изменение качества продукта (обычно ухудшают его). Поэтому для каждого продукта, чтобы свести к минимуму вредное влияние на его качество таких реакций, следует выбирать определенные условия замораживания и хранения, а также условия, предшествующие замораживанию. [3]

Для большинства продуктов, подвергаемых промышленному замораживанию, вода является главным компонентом. В большей ее части находятся растворимые вещества клетки, меньшая часть идет на образование гидратов и макромолекулярных коллоидов. Кроме того, водный раствор составляет часть желеобразной или нитеподобной структуры клетки. Наиболее характерный процесс при замораживании -- это превращение воды в лед, в результате чего она изменяет свое нормальное состояние в ткани. [3]

Переход воды в лед увеличивает концентрацию растворимых веществ клетки, изменяет рН водного раствора и воздействует на воду, которая входит в состав коллоидных комплексов. [3]



1.2 Применение вакуумирования для увеличения продолжительности хранения пищевых продуктов

Процессы охлаждения и нагрева изучаются веками и несправедливо считать, что они изучены досконально и полно. Источники тепла и способы его подвода многообразны и по времени протекания процесса порой просто несравнимы, например, как конвективный поверхностный способ нагрева и нагрев токами высокой частоты и микроволнами. А для отвода тепла (охлаждения) до сих пор в серьез рассматривали только поверхностный способ.

В последнее время появились попытки использовать для объемного охлаждения вакуумно-испарительное охлаждение, которое положительно зарекомендовало себя при охлаждении овощей и фруктов, хотя в их случае оно использовалось как более быстрый поверхностный способ охлаждения. Этот способ охлаждения требует размещения изделий в вакуумной камере с остаточным давлением, соответствующим температуре насыщенных паров воды, близкой к +2 ОC. При этом влага изделия интенсивно испаряется и тем охлаждает его. Скорость испарения влаги и соответствующая ей скорость охлаждения определяются производительностью системы вакуумирования.

Традиционные способы охлаждения пищевых продуктов конвективным потоком холодного воздуха не всегда могут быть использованы для промежуточного охлаждения пищевых продуктов. Это связано с ограничениями по температуре охлаждающей среды, которая, будучи достаточно низкой, должна оставаться положительной и не допускать замораживания продукта. Из-за малых перепадов температур (Тпрод - Ткамеры) длительность процесса растет, (особенно на его последней стадии) становятся существенными усушка и неравномерность распределения влаги по объему охлаждаемого объекта. Все это приводит к ухудшению условий последующего хранения и отклонению от стандартов качества продукта по внешнему виду, кислотности, микрофлоре и т.п.

Технология вакуумирования продуктов, необходима для магазинов, заведений общественного питания, производителей продуктов быстрого приготовления, она существенно увеличивает срок хранения скоропортящихся продуктов: мясо, рыба свежие овощи, защищая от усушки. Продукты, упакованные в вакуум, не накапливают чужеродных запахов, портящих их вкус, и не обветриваются, как при хранении в холодильнике. На продуктах, упакованных в вакуум, не развиваются болезнетворные бактерии, а значит, они остаются безопасны после долгого хранения, полностью сохраняя все вкусовые качества присущие свежим продуктам. Вакуумный упаковщик продуктов, поможет небольшому магазинчику, кафе, существенно расширить ассортимент, оптимизировать систему хранения и более рационально организовать торговлю. А значит существенно увеличить оборот и прибыль. Тем более на профессиональной кухне (кафе, рестораны) мелочей не бывает, качество продуктов - основа стабильной торговли, а значит бизнеса. Заведениям общественного питания, метод вакуумирования продуктов существенно облегчить процесс заготовки продуктов, которые затем можно использовать при большом наплыве клиентов. Ведь вакуумной упаковке, нарезки из овощей и фруктов хранятся значительно дольше, чем в обычных условиях. Вашим работникам не нужно беспокоиться о том, что - то испортится или они не успеют приготовить заказанные блюдо. В вакуумную упаковку, можно помещать продукты уже подвергшиеся тепловой обработке, полуфабрикаты, для продления срока хранения. А для любителей замораживать на зиму овощи и фрукты, вакуумный упаковщик - находка, так как благодаря вакуумированию, плоды сохраняют большинство полезных веществ и вкус лета. Что касается обслуживания вакуумных промышленных аппаратов, то в конце дня нужно чистить запаивающие слои, с помощью куска ткани смоченном в моющем средстве или спирте. Теперь, вы понимаете, необходимость вакуумных упаковочных машины для продовольственных магазинов, фабрик, ресторанов, кухонь быстрого питания, кондитерских и прочих пищевых производств, связанных с хранением или приготовлением пищевых полуфабрикатов. Для сравнения, в холодильнике свежее мясо хранится 2 - 3 дня в вакуумной упаковке: 8- 9 дней, увеличения срока хранения продуктов в два раза. Что существенно расширяет ваши возможности, теперь вы сможете хранить продукты дольше и готовить по- новому. В вакууме мясо быстрее пропитывается маринадом, что сокращает время маринования Вакуумный упаковщик, герметично упаковывает не только продукты питания, но и любые предметы, защищая их от влаги и повреждения. Вакуумную упаковку широко применяют в фармацевтической промышленности, текстильном производстве для защиты от влаги, повреждений.

Сроки хранения продуктов в вакуумной упаковке

Хранение в вакуумной упаковке MAGIC VAC® продлевает срок хранения продуктов в 5 раз. Более подробно о преимуществе вакуумной упаковки продуктов и о видах вакуумных упаковщиков вы можете прочитать здесь.

Таблица 1.2 - Результаты анализа MAGIC VAC®

Продукт	Срок хранения в обычных условиях	Срок хранения в вакуумной упаковке MAGIC VAC®
Сырые продукты при хранении в холодильнике (t= 5 ± 2 °C):
Говядина	3-4 дня	8-9 дней
Телятина,свинина, баранина, птица	2-3 дня	6-9 дней
Рыба	1-2 дня	4-5 дней
Дичь	2-3 дня	5-7 дней
Колбасы (целые палки)	7-15 дней	25-40 дней
Колбасы (нарезка)	4-6 дней	20-25 дней
Сыр мягкий (свежий)	5-7 дней	14-20 дней
Сыр твердый (настоянный)	15-20 дней	25-60 дней
Овощи	1-3 дней	7-10 дней
Фрукты	5-7 дней	14-20 дней
Вареные продукты при хранении в холодильнике (t= 5 ± 2 °C):
Супы	2-3 дня	8-10 дней
Макароны и рис	2-3 дня	6-8 дней
Мясо	3-5 дней	10-15 дней
Торты и десерты	2-3 дня	6-8 дней
Зам-ные продукты при хранении в морозильной камере (t= -18 ± 2 °C):
Мясо	4-6 месяцев	15-20 месяцев
Рыба	3-4 месяца	10-12 месяцев
Овощи и фрукты	8-10 месяцев	18-24 месяцев
Сухие продукты - хранение при комнатной температуре (t= 25 ± 2 °C):
Хлеб	1-2 дня	12 месяцев
Печенье	10 дней	12 месяцев
Макароны, рис и крупы	5-6 месяцев	12 месяцев
Мука	4-5 месяцев	12 месяцев
Сухофрукты	3-4 месяцев	12 месяцев
Кофе молотый	2-3 месяцев	12 месяцев
Чай	5-6 месяцев	12 месяцев
Сухое молоко	1-2 месяца	12 месяцев

Данные, указанные в следующей таблице, являются результатом анализа, проведенного специально для производителя MAGIC VAC® экспертами «AITA» (Ассоциация Пищевых Технологий) под руководством профессора LucianoPiergiovanni (Лучано Пьерджованни), ведущий кафедрой "Технологии хранения и сбыта пищевых продуктов» Государственного Университета г. Милана.

Все вышеуказанные параметры являются ориентировочными и зависят напрямую от исходного качества и свежести продукта и от целостности упаковки.

1.3 Проблемы и результаты исследования процессов охлаждения капиллярно-пористых пищевых продуктов вакуумно-испарительным способом

Процессы охлаждения и нагрева изучаются веками и несправедливо считать, что они изучены досконально и полно. Источники тепла и способы его подвода многообразны и по времени протекания процесса порой просто несравнимы, например, как конвективный поверхностный способ нагрева и нагрев токами высокой частоты и микроволнами. А для отвода тепла (охлаждения) до сих пор в серьез рассматривали только поверхностный способ[1].

В последнее время появились попытки использовать для объемного охлаждения вакуумно-испарительное охлаждение, которое положительно зарекомендовало себя при охлаждении овощей и фруктов, хотя в их случае оно использовалось как более быстрый поверхностный способ охлаждения. Этот способ охлаждения требует размещения изделий в вакуумной камере с остаточным давлением, соответствующим температуре насыщенных паров воды, близкой к +2ОC. При этом влага изделия интенсивно испаряется и тем охлаждает его. Скорость испарения влаги и соответствующая ей скорость охлаждения определяются производительностью системы вакуумирования.

Традиционные способы охлаждения пищевых продуктов конвективным потокомхолодного воздуха не всегда могут быть использованы для промежуточного охлажденияпищевых продуктов. Это связано с ограничениями по температуре охлаждающей среды, которая, будучи достаточно низкой, должна оставаться положительной и не допускать замораживания продукта. Из-за малых перепадов температур (Тпрод - Ткамеры) длительностьпроцесса растет, (особенно на его последней стадии) становятся существенными усушка и неравномерность распределения влаги по объему охлаждаемого объекта. Все это приводитк ухудшению условий последующего хранения и отклонению от стандартов качества продукта по внешнему виду, кислотности, микрофлоре ит.п.

Альтернативой этим способам является вакуумно-испарительное охлаждение, в котором влажный охлаждаемый продукт сам по себе служит регулируемым по температуре хладагентом. Только одно основное требование предъявляется к продукту подлежащему охлаждению вакуумно-испарительным способом - это достаточно большая пористость, позволяющая парам, образованным внутри капиллярно-пористого тела, свободно покидать его и удаляться вместе с откачиваемым воздухом[1].

Вакуумно-испарительное охлаждение осуществляется в результате отбора теплоты от продукта при испарении влаги из него. Испарение влаги вызывается понижением давления (созданием вакуума). В связи с достаточно равномерным распределением свободной влаги в изделиях охлаждение так же идет во всем объеме охлаждаемого изделия. Положительным свойством вакуумно-испарительного охлаждения является простота регулирования скорости процесса. При вакуумно-испарительном охлаждении повреждения кристаллами льда структуры пористых изделий невозможны из-за положительных температур на весь период охлаждения.[1]

Эти качества вакуумно-испарительного охлаждения пищевых продуктов используются для охлаждения влажных растительных продуктов: грибов, салата, зеленых культур и др. Во всех случаях отмечалась высокая скорость охлаждения, а обезвоживание продукта соответствовало количеству испаренной воды и степени его охлаждения. [1]

Для полного изучения процесса вакуумно-испарительного охлаждения необходимо было подобрать пищевой продукт, являющийся идеальным капиллярно-пористым телом. Им стал хлеб. Были рассмотрены публикации о

вакуумно-испарительном охлаждении различных пищевых продуктов, в том числе полуфабрикатов и готовых хлебобулочных изделий. В них отмечалось, что охлаждение под вакуумом может ускорить охлаждение хлебобулочных изделий. Например, тонкие изделия типа panetonni (итальянский пирог) могут быть охлаждены за 4 минуты под вакуумом по сравнению с двадцати четырех часовым конвективным охлаждением. Это привело к тому, что многие итальянские производители данного изделия перешли на новую технологию охлаждения. Однако из-за структурных изменений, вызванных избыточным перепадом давления пара в области низкой газопроницаемости (хлебной корочки), необходима специализированная программа достижения вакуума. Использование модулируемого вакуумного холодильника (MVC) позволяет получить быстрое охлаждение хлебобулочных изделий без неблагоприятного изменения их объема и структуры. Вместо того чтобы применять вакуумирование с постоянной скоростью откачки, давление в герметичной камере изменяется по заданному закону в течение всего времени охлаждения. Вакуумно-испарительное охлаждение хлебобулочных изделий осуществляется в температурном диапазоне 98…30°C, который сопровождается потерей массы изделия примерно на 1 % при снижении его температуры на каждые 10°C, или на 6,8 % при снижении температуры от 98°C до 30°C. В то же время,обычное конвективное охлаждение приводит к потере массы на 3-5 % в зависимости от скорости охлаждающего воздуха. Разница между потерями массы незначительна. Пшеничный хлеб - двухкилограммовые буханки, французские батоны, пироги с мясом, печенья и пироги, охлаждаемые традиционно за 13 часа, могут быть охлаждены за время от 30 секунд до 5 минут в вакуумно-испарительной установке. [1]

Процесс вакуумно-испарительного охлаждения имеет преимущества как по качеству и по внешнему виду изделия, так и за счет сокращения времени охлаждения, уменьшается количество потребляемой энергии. Кроме того, продукция может долгое время храниться при плюсовых температурах. Увеличенный срок годности изделий из-за отсутствия заражения микробами в течение охлаждения, несомненно, является большим достоинством вакуумно-испарительного способа охлаждения. Проводимые исследования были направлены на выявление кинетических закономерностей и разработку физической модели тепло- и массообмена во взаимосвязанных процессах обезвоживания, охлаждения, переноса влаги при вакуумно-испарительном охлаждении[1].

Способ вакуумно-испарительного охлаждения основывается на процессе, в котором свободная и распределенная в объеме продукта влага, испаряясь, отбирает теплоту. Процесс релаксации между изменениями давления насыщенных паров и температуры жидкости протекает быстро. На основе систематизации сведений о физических процессах, протекающих при вакуумно-испарительном охлаждении пищевых продуктов, физическая модель, изображенная на рисунке 1.1, строилась на следующих представлениях и допущениях[1]:

- хлебобулочное изделие после первого этапа выпечки рассматривается как капиллярно-пористое тело с пористостью 70...80% и высокой паропроницаемостью;

- в процессе вакуумно-испарительного охлаждения может происходить перераспределение массы влаги по объему заготовки, при этом влажность охлаждаемого полуфабриката достаточна для его вакуумно-испарительного охлаждения без образования сухих зон и сплошных границ фазовых переходов;

- фазовые переходы жидкость - пар происходят во всем объеме полуфабрикатаодновременно в соответствии с локальными значениями температуры и давления в каждой точке охлаждаемого изделия;

- фазовый переход происходит при отсутствии подвода тепла извне за счет уменьшения внутренней энергии изделия и, как следствие, сопровождается уменьшением температуры изделия;

- задача рассматривается как одномерная: перенос массы и теплоты осуществляется только в направлении оси X.

Рисунок 1.3- Схема развития процесса вакуумно-испарительного охлаждения

Принципиальными являются первое и третье допущения. В соответствии с ними при удалении водяных паров от охлаждаемых продуктов, помещенных в герметичную камеру вакуумированием, внутри продукта создаются условия для объемного адиабатического испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплопритоков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы продукта до температуры насыщенных паров воды, соответствующей давлению в камере[1].

Так как паропроницаемость изделий принята высокой, то в объеме полуфабриката не возникают заметные градиенты давления и соответствующие им градиенты равновесной температуры. Поэтому по мере откачивания газов давление насыщенных паров над свободной поверхностью жидкости можно отождествить с давлением в камере охлаждения. При откачке воздуха и водяных паров, поступающих в камеру от охлаждаемых продуктов, внутри влажного пористого продукта создаются условия для изоэнтропного объемного испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплопритоков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы продукта до температуры насыщенных паров воды (рисунок 1.2.1).

Рисунок 1.3.1 - Зависимость температуры насыщенных паров воды от давления

В явлении вакуумно-испарительного охлаждения такие медленные процессы, как диффузия и теплопроводность не играют заметной роли, поэтому вакуумно-испарительное охлаждение протекает относительно

быстро и во всем объеме изделия одновременно[1].

В результате проведенных численных исследований установлено, что вакуумно-испарительное охлаждение намного интенсивнее конвективного. Оно обеспечивает охлаждение продукта от 80OС до температуры 0...2oС за 3...6 минут[1].

При этом в отличие от конвективного, при вакуумно-испарительном охлаждении температуры на поверхности и в глубине теста-хлеба одинаковы по всему объему изделия. При увеличении скорости вакуумирования продолжительность охлаждения резко уменьшается. Увеличение массы охлаждаемых изделий наоборот пропорционально увеличивает время охлаждения. Показано, что произведение времени на отношение скорости откачки к массе охлаждаемого продукта может быть приведено к безразмерной величине Fw, аналогичной критерию Фурье, не связанной, однако, с линейными размерами охлаждаемого изделия. Большое значение имеет влажность охлаждаемого продукта[1].

На основании расчетов установлено, что при охлаждении продукта от 90oС до 2oС количество свободной влаги в продукте должно быть не менее12% от массы охлаждаемого изделия. Влияние объема камеры на процесс вакуумно-испарительного охлаждения может проявляться двояким образом: через увеличение объема откачиваемой среды и увеличение площади поверхности теплообмена камеры с окружающей средой. При этом абсолютная разница во времени охлаждения для камер различных объемов связана с разностью времен откачивания начального объема воздуха. Таким образом, во всех случаях объем камеры должен как можно меньше отличаться от объема охлаждаемого продукта[1].

1.4 Применение замораживания для продолжительного хранения пищевых продуктов

Одной из важнейших задач многих отраслей промышленности было и остается создание технологий и оборудования, обеспечивающих длительную сохранность изначальных свойств пищевых продуктов.

В промышленном масштабе наибольшее практическое применение получили две технологии для достижения длительных сроков хранения продукции.

Первая предусматривает ее замораживание, при котором определенная часть влаги переходит в лед, относительная доля которого увеличивается по мере понижения температуры холодильной обработки. Далее продукт хранится в замороженном состоянии.

Вторая технология предусматривает удаление из продукта части влаги.

Наиболее широкое применение для сушки биологически активных растворов и пищевых продуктов получил вакуум - сублимационный способ, при котором удаление влаги осуществляется в вакууме испарением при давлениях, незначительно превышающих давление тройной точки воды - обычно при 1,9 - 3,9 кПа (15 -35 мм.рт.ст). Технологический процесс такой сушки состоит из следующих основных операций: отбор и предварительная подготовка сырья, замораживание, сублимационная сушка, упаковка, хранение высушенного биоматериала.

Замораживание является важным этапом в технологическом процессе сублимационного консервирования биоматериалов. Условия и режимы замораживания влияют на качественные показатели высушенных материалов и продолжительность процесса сушки, что в конечном счете связано с энергозатратами и себестоимостью продукции.

Для оценки процесса замораживания принципиально значимыми являются два показателя: первый -- это конечная отрицательная температура, которую приобретает продукт в процессе замораживания и второй - скорость замораживания.

Многочисленные эксперименты и практика промышленного производства показали, что высокий уровень качества сублимированных пищевых продуктов достигается при удалении 80 - 85 % содержащейся в них влаги. Применительно к лекарственным препаратам, ферментам, закваскам этот показатель возрастает до 90 - 95 % влаги. Темпераутры, обеспечивающие вымораживание в этих объектах указанного количества влаги и являются рациональными конечными температурами замораживания и, следовательно, сублимации. Численные значения таких температур строго индивидуальны для каждого объекта сушки. Например, для широкого ассортимента пищевых продуктов и сырья достаточна температура минус 17 ч- 24 °С, А для лекарственных препаратов минус 35 -г- 40 °С.

Определение численного значения конечной температуры является предметом многих исследований в технологии быстрого замораживания пищевых продуктов. Именно от этого параметра зависит общая продолжительность процесса.

Так, в докторской диссертации Мижуевой С.А. доказано, что общая продолжительность замораживания продукта зависит, в основном, от продолжительности основного периода фазового перехода воды в лед в интервале температур от -1 до -5 °С. Этот период, по данным автора, составляет 65 + 74 % общего времени замораживания. При этом количество вымороженной влаги составляет 75 ч- 80 % .

В кандидатской диссертации Стефановой В.А. доказано, что при использовании низкотемпературного воздуха (-60 ч- -120 °С) от турбохолодильной машины процесс замораживания можно заканчивать при достижении температуры -5 °С в толще продукта, при этом в процессе выравнивания обеспечивается среднеобъемная температура и = -18 °С и значительно ниже. Такое ведение процесса позволяет значительно сократить продолжительность замораживания продукта.

Важным параметром процесса замораживания является его скорость. Если количество влаги, переведенное в кристаллическое состояние определяется конечной температурой замораживаемого объекта, то размер, форма и ориентация кристаллов, изменение первоначальной структуры и перераспределение компонентов в замороженном материале, степень обратимости процесса зависит от условий те-плоотвода и связанной с ними скоростью замораживания.

Данный параметр является одним из основных в плане совершенствования процесса сублимационной сушки биообъектов.

Известны различные методики определения скорости замораживания.

С целью упорядочения и обеспечения сравнения экспериментальных данных различных авторов Международным институтом холода (МИХ) рекомендуется определение средней скорости замораживания, как отношение минимального расстояния между поверхностью и термическим центром продукта ко времени, прошедшему от достижения поверхностью температуры 0 °С до охлаждения термического центра на 10 °С ниже криоскопической температуры. МИХ рекомендует следующую классификацию процесса замораживания:

- медленное - на уровне 0,5 см/ч;

- быстрое - до 5 см/ч;

- сверхбыстрое - от 5 до 10 см/ч;

- ультрабыстрое - от 10 до 100 см/ч.

Многочисленными исследованиями доказано преимущество быстрого замораживания продукта в сравнении с медленным применительно к технологии сублимационной сушки.

Быстрое замораживание, обеспечивающее интенсивный тепло-отвод, вызывает льдообразование одновременно во всех структурных элементах ткани: в межволоконных, межклеточных пространствах и клетках. При большой скорости теплоотвода кристаллы льда практически образуются там, где находилась вода до замораживания, что приводит к меньшему нарушению гистологической структуры ткани и это благоприятно сказывается на качестве сублимированного продукта.

Анализ информационного материала показал, что основным направлением обеспечения условий быстрого замораживания пищевых продуктов является использование низкотемпературных, значительно ниже температур -25 -30 °С, обеспечиваемых в действующих сублимационных установках холодильными компрессорными машинами, экологически чистых и относительно дешевых холодильных систем. Актуальность экологической проблемы отражена в известных Монреальском и Киотском протоколах по ограничению, а в дальнейшем запрету, использования хлорфторсодержащих холодильных агентов, применяемых в компрессорных холодильных машинах.

В этом плане перспективно использование для быстрого замораживания пищевых продуктов и сырья воздушной турбохолодильной машины (ВТХМ), детандер которой одновременно обеспечивает низкую температуру (-60 -ь -120 °С) и скорость потока воздуха от 5 до 25м/с. К преимуществам данной системы хладоснабжения относится использование естественного и, следовательно, дешевого и экологически безопасного холодильного агента -- атмосферного воздуха.

На кафедре "Холодильная техника" МГУПБ впервые были выполнены исследования процесса быстрого замораживания пищевых продуктов с использованием низкотемпературного воздуха от ВТХМ. Результаты исследований представлены в докторской диссертации Антонова A.A. и кандидатских диссертациях Бобкова A.B., Стефано-вой В.А., Шахмеликяна Г.Б. В данных работах предложены аналитические модели расчета продолжительности замораживания пищевых продуктов широкого ассортимента для условий симметричного теплообмена.

При этом толщина замораживаемого продукта варьировалась в интервале от 0,008 до 0,072 м.

Предварительное замораживание продукта в сублимационной установке определяется условиями несимметричного теплообмена, учитывая что объект сушки размещен на металлическом противне. Следует также отметить, что толщина замораживаемого объекта значительно меньше ранее исследуемых.

Анализ информационного материала показал, что для условий работы сублимационной установки необходимо выполнение комплекса дополнительных исследований, учитывающих условия теплообмена при организации процесса быстрого замораживания биообъекта с использованием низкотемпературного воздуха от детандера ВТХМ и процесса последующей вакуумной сушки.

Вышеизложенное определило цель и задачи данной работы.



1.5 Физические основы сублимации

Сублимационной сушкой называют удаление влаги из замороженных материалов путем возгонки льда непосредственно из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Далее рассмотрим физические представления о сублимации продуктов. Для осуществления такого перехода парциальное давление водяного пара над сушимым материалом должно быть ниже давления тройной точки. Параметры тройной точки чистой воды следующие: температура 0°С, давление 610,5 Па (4,58 мм рт. ст.). В воде, содержащейся в продуктах питания, растворены различные соли и минеральные вещества, поэтому температура её замерзания и равновесное давление водяного пара ниже, чем для чистой воды. Соответственно для сублимации льда, образующегося в реальных продуктах питания, парциальное давление пара составляет 40--133 Па (0,3--1,0 мм. рт. ст.). Этот процесс называют атмосферной сублимационной сушкой, так как он происходит в естественных условиях при атмосферном давлении в среде холодного и сухого воздуха относительной влажностью менее 100% (например, высушивание рыбы на морозе в солнечные дни). Однако такой процесс очень длителен. Известны результаты исследований, направленных на интенсификацию процесса атмосферной сублимационной сушки в промышленных аппаратах путем использования лучистого подвода теплоты к сушимому продукту, обдуваемому холодным воздухом или инертным газом, а также путем организации процесса высушивания гранулированного продукта в кипящем слое. Такие аппараты могут найти применение, например, в районах Крайнего Севера при наличии в достаточном количестве атмосферного холодного воздуха пониженной влажности или при высушивании продуктов непосредственно в морозильных камерах холодильников.[2]

Интенсивность процесса сублимации продуктов существенно повышается при понижении давления в сушильной камере, т. е. при реализации процесса в условиях вакуума. Поэтому в промышленностипроцесс сублимационной сушки осуществляется именно в вакуумных установках, в которых парциальное давление обычно не превышает 70 Па (0,5 мм рт. ст.). [2]

Вакуум-сублимационной установкой называют комплекс технологического оборудования, предназначенный для удаления из объекта обработки легколетучего компонента путем его перехода из твердого состояния в парообразное (минуя жидкую фазу) в условиях вакуума. Установки такого типа используют в химической промышленности для осуществления процессов разделения, а в биологической, медицинской и пищевых отраслях -- для консервирования скоропортящихся продуктов посредством удаления части содержащейся в них влаги. [2]

Современная вакуум-сублимационная установка включает сушильную (сублимационную) камеру, в которой расположены объект сушки (продукт) и средства энергоподвода, десублиматор с искусственно охлаждаемой поверхностью, на которой осаждается (десублимирует) удаленный из материала водяной пар, вакуум-насосы, создающие рабочий вакуум в сублимационной камере и непрерывно эвакуирующие из нее неконденсирующиеся газы, а также средства контроля и регулирования процесса сушки. Можно рассматривать процесс сублимационной сушки продуктов питания как организованное изменение влагосодержания сырья от исходного начального Uн до заданного конечного Uк при соблюдении ряда ограничений, обусловленных технологическими требованиями, предъявляемыми к качеству готового продукта сублимации. Для обеспечения этого изменения влагосодержания объекта сушки от Uн до Uк предназначены три основные системы сублимационной установки: энергоподвода (теплоподвода); откачки или сорбции водяного пара и газов, а также система управления процессом. Первые две системы составляют энергетический комплекс сублимационной установки, последняя система осуществляет функции контроля и управления процессом сушки. Система энергоподвода компенсирует затраты энергии при фазовом превращении в пар содержащейся в материале влаги. Вторая система предназначена для эвакуации образующегося пара, а также воздуха, выделяющегося из продукта и натекающего через неплотности камеры из окружающей среды. Не умаляя важной роли этой системы, можно утверждать, что развитие сублимационной техники в достаточно большой степени определяется в основном существенными усовершенствованиями именно системы энергоподвода. [2]

Исходя из физических представлений о сублимации продуктов и происходящих в сублимационной установке процессов тепло- и массопереноса, которые характеризуются большой сложностью, и недостаточной изученности их механизма, стоит подробнее рассмотреть процесс сублимации как с позиций молекулярных теорий, так на континуальном уровне, когда объект исследования (продукт) представлен в виде сплошной среды.[2]

Проблемы сублимационного производства

После «холодной войны» многие технологии и оборудование стали достоянием гражданской промышленности.

Фермеры Америки и Европы «переболели» сублимационными технологиями в 60-е годы. Это выгодно -- продавать узкосезонные сорта овощей и фруктов в любое время года!

«Болезнь» прошла в течение 10 лет: энергоёмкость и дороговизна оборудования, а также просчёты чисто физические и теплотехнические дискредитировали эту интересную тему надолго. Ещё бы -- на военном производстве, откуда вышла эта техника, не считали деньги -- там требовался конечный продукт любой ценой!

Хорошие (относительно России) транспортные возможности в сочетании с хорошим (относительно России) климатом сделали сублимационное производство в Америке и Европе менее необходимым, чем у нас. Остались на плаву кофейные, рыбные и т.п. гиганты и, конечно, производители полуфабрикатов и медпрепаратов.

Подробности о технике сублимации

Классическая схема, далёкая от проблем экономики производства и его рентабельности, представляет из себя линию агрегатов, где продукт последовательно:

1. замораживается (камера быстрой заморозки);

2. сушится при температуре ниже нуля (камера-сублиматор);

3. герметично упаковывается в камере-сублиматоре, или отдельной установке для пакетирования;

4. после этого продукт можно хранить как угодно, где угодно и сколь угодно долго.

Ошибки фермеров-«самодельщиков» начинаются с пункта №1 и до конца списка. Попробуем популярно изложить основные проблемы.

Замораживание:

Стоимость замораживания в компрессорных камерах в 5 раз дешевле, чем в криогенных установках;

Время «от грядки до холодильника» должно быть минимальным;

При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы - в результате клеточные ткани повреждаются минимально;

Кристаллы растут, если температура повышается, травмируя ткани. Транспортировка в рефрижераторе проблему не снимает (а сублимированному продукту рефрижератор не нужен;

Обычное длительное (НЕ по технологии быстрой заморозки) замораживание приводит к усушке до 10% (также продукт теряет первоначальную форму и свойства);

Условия размораживания (скорость и т.п.) должны быть идентичны условиям замораживания, что недостижимо в обычных условиях (а сублимированный продукт в разморозке не нуждается).

Для продуктов животного происхождения такие факторы, как рН, сезонные различия в составе тканей, время, прошедшее до замораживания, влияют на качество не меньше, чем способы замораживания.

Упаковка:

Практика пищевой промышленности показывает, что несмотря на полную обезвоженность продукта (до остаточной влажности порядка 0,01%), несмотря на заполнение пакета инертным газом или создание там вакуума, в продукте могут происходить нежелательные процессы под действием солнечных лучей. Следовательно упаковка должна быть:

герметичной;

заполненной инертным газом;

металлизирована фольгой.

Инертный газ требуется, если говорить о длительном хранении, если нет гарантии целостности упаковки. Но и газонаполненные и вакуумные упаковки уже не являются проблемой даже в России, и этот вопрос (единственный!) можно считать закрытым.

Сублиматор

Вакуумная камера, где при остаточном давлении (например не более 100 Па, или 0,77 мм ртутного столба) лёд из предварительно замороженного продукта испаряется при температуре минус 20°С. Температурные режимы и остаточное давление варьируются в зависимости от поставленных задач. Камеры бывают самыми разнообразными и по форме и по методу загрузки сырья.

Условно в такой камере можно выделить такие устройства:

устройство для откачивания воздуха (вакуумный насос);

устройство для компенсации теплопотерь продукта при испарении влаги (спирали, ТЭНы, ИК-излучатели, ВЧ-излучатели);

устройство для отвода водяных паров (холодные стенки-конденсаторы и т.п.);

контрольно-измерительные устройства и приборы (КИП).

Преимущества предлагаемой техники

У предприятия Российского ВПК существуют компрессорные холодильные камеры, обеспечивающие температуру 100°С ниже нуля. Каскад фреона-13 охлаждают каскадом фреона-22, который охлаждается водой. Всё это циркулирует по кругу и кроме расходов на электромоторы компрессоров никаких затрат.

Российский ВПК имеет такие камеры для климатических испытаний приборов. Итак, первый вывод касается замораживания продуктов -- только компрессионная камера! (Аргументы смотри выше - «Замораживание»).

Принципиальная новизна вакуумного насоса

«Интеллектуальным прорывом» в области вакуумных насосов является создание низковакуумного насоса, работающего по турбовихревому принципу. Россия имела их уже в 1993 году. Ранее такие насосы изготавливались только для высокого вакуума, т.е. требовали предварительной откачки воздуха низковакуумным дешёвым насосом. Проблема технологии заключалась в том, что подобно лопаткам турбины самолёта, в материал лопаток внедряются молекулы газов из-за больших скоростей соударений. Этот процесс постепенно разрушает лопатки насоса (турбины). Сейчас проблема решена. Наши конструкторские бюро, запустив самолёты, не оставили без внимания и вакуумную технику (опять-таки только военную). А стоимость этих низко- и средне-вакуумных насосов-новинок сравнима с традиционными «низковакуумными дешёвыми» насосами. вакуумный охлаждение сублимация замораживание

Рисунок 1.4. Технологическая схема сублимирования.

Этот идеальный для сублимированиятурбовихревой насос позволяет полностью отказаться от дорогой в изготовлении и разорительной в эксплуатации конденсаторной части сублиматора. Ведь «старые» вакуумные насосы были критичны к парам воды, и воду приходилось намораживать в конденсаторе. Стоимость и размеры установки сублимационной сушки снизятся вдвое, т.к. «морозильник» отсутствует.

Принципиальная новизна вакуумного насоса наполовину снижает металлоёмкость, а эксплуатационную экономию подсчитать невозможно.

Принципиальная новизна метода компенсации теплопотерь

при сублимации -- активизация внутриклеточных ферментов

В отличие от 60-х годов, сегодня доступны микроволновые устройства (ВЧ).

В сравнении с традиционными ИК излучателями ВЧ-теплоприток интенсифицирует процесс сублимации в 100 раз (ранее в вакууме теплопередача ограничивалась теплопроводностью самого продукта).

Принципиальная новизна метода компенсации теплопотерь заключается отнюдь не в применении ВЧ-излучателя. Дело в режиме излучаемых частот, запатентованных и апробированных МАПП. «Многомодовое поле стоячих волн, спектр частот которого близок к спектру аномальной дисперсии воды». Активизируются внутриклеточные ферменты в результате воздействия МВ на ферментосодержащую систему. Что это значит? Требуются пояснения.

До сегодняшнего дня все технологии лишь сохраняли продукт, снижая его качество на каждой стадии технологической цепочки. Перспективность такой технологии в комментариях не нуждается!

Принципиальная независимость готового продукта

Готовый продукт независим от сезона, качества складских помещений, качества транспортных средств и т.д. Срок годности не имеет аналогов. В качестве питательной ценности (не энергетической, а именно питательной) не уступает свежим «живыми» продуктами. Обезвоженный продукт (малый вес) выгоднее в транспортировке и складировании.

Это единственный способ сохранить форму и все органолептические свойства свежего материала.

Вне конкуренции -- продажа узкосезонных деликатесов в течение всего года.

Маркетинговые проблемы

Продукты вакуумной сушки дискредитируют сублимационную идею, поскольку в представлении населения сублимационная и вакуумная сушка -- одно и тоже.



2. Конструкторско-технологический раздел

2.1 Описание установки

Проектируемая холодильная установка состоит из холодильного контура, холодильной камеры, вакуум-насоса и станины, на которую устанавливаются данные составляющие.

Холодильный контур включает компрессорно-конденсаторный агрегат, четырехходовой клапан, дроссельное устройство (капиллярная трубка), испаритель-воздухоохладитель и отделитель жидкости.

2.1.1 Компрессорно-конденсаторный агрегат

Данный тип агрегата фирмы Danfoss (рис. 2.1) состоит из поршневого герметичного компрессора, с вертикальным расположением оси коленчатого вала и из конденсатора воздушного типа. Марка агрегата FR6DLX, где[11]:

FR - тип компрессора;

6 - рабочий объем (см3);

DL - R404A/R507, высокое давление всасывания (HBP);

X - высокий пусковой момент;

Модификация: N0 - для капиллярных трубок без запорных вентилей.

В таблице 2.1 приведены технические характеристики компрессорно-конденсаторного агрегата.

Таблица 2.1 - Характеристики компрессорно-конденсаторного агрегата FR6DLXDanfoss

Холодопроизводительность аппарата (Вт) при температуре окружающей среды +43 °С и температуре кипения хладагента (°С)	Рабочий температурный диапазон при температуре окружающей среды +43°C
-45	-40	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-45…-10°С
91	128	171	219	273	332	397	468

Рисунок 2.1 - Компрессорно-конденсаторный агрегат Danfoss:

H = 256 мм; W = 321 мм; D = 444 мм; a = 325 мм

2.1.2 Четырехходовой клапан

Проектируемая холодильная установка рассчитана на работу в двух режимах: режим «замораживания» и режим «размораживания». Это осуществляется благодаря четырехходовому клапану, позволяющему поменять направление движения хладагента (принцип реверсирования холодильного цикла). Схемы и принцип действия четырехходового клапана в разных вариантах рассмотрены на примере его работы в кондиционере и приводятся на рис. 2.2[9].

1 - компрессор, 2 - четырехходовой клапан, 3 - поршень, 4 - переходная капиллярная трубка четырехходового клапана, 5 - капиллярная трубка, 6 - внутренний блок кондиционера, 7 - внешний блок кондиционера, 8 - обмотка четырехходового клапана.

Рисунок 2.2 - Принцип работы четырехходового клапана

2.1.2.1 Работа клапана в режиме охлаждения

В режиме охлаждения обмотка соленоида обесточена, и управляющий клапан соединяет левую полость поршня (3) с линией всасывания перед компрессором (1). Поршень смещен влево и соединяет сторону нагнетания компрессора (1) с воздушным конденсатором (7). Сторона всасывания компрессора соединяется с испарителем (6)[9].

2.1.2.2 Работа клапана в режиме теплового насоса

В режиме обогрева находящаяся под напряжением обмотка (8) смещает управляющий клапан (2) вправо, позволяя соединить правую полость поршня (3) с входом в компрессор, меняя направление циркуляции хладагента - всасывающая сторона компрессора соединяется с воздушным конденсатором (7).

В нашей установке задействован четырехходовой клапан фирыDanfoss с электромагнитной катушкой 220 В[9].



2.1.3 Капиллярная трубка

Капиллярная трубка (рисунок 2.3)(свернутая в спираль тонкая длинная трубка)предназначена для дросселирования фреона от давления конденсации до давления кипения. Является простейшим регулятором потока холодильного агента. Благодаря низкой стоимости, надежности и простоте конструкции капиллярные трубки нашли широкое применение (сплит-системы, бытовые холодильники)[9].

Для проектируемой установки расчет длины капиллярной трубки в зависимости от подобранного сечения, будет осуществлен и представлен далее в пояснительной записке.

Рисунок 2.3 - Капиллярная трубка

2.1.4 Испаритель

Испаритель-воздухоохладитель состоит из медного змеевика испарителя (рисунок 2.4), медного цилиндра и воздушного вентилятора. Змеевик изготовлен из гладкой медной трубки диаметром 12 мм. Длина трубки и диаметр витка будут определены в ходе расчета. Цилиндр изготовлен из медного листа толщиной 0,8 мм. Вентилятор состоит из четырехлопастной пластиковой крыльчатки, которая устанавливается и крепится заклепочным соединением к двигателю мощностью 18 Вт.

2.1.5 Холодильная камера

Холодильная камера (рисунок 2.5) представляет собой стальной цилиндр, один торец которого герметично заварен. Передний торец имеет соединительный фланец, на который разъемным болтовым соединением герметично крепится оргстекло. Оргстекло диаметром 357 мм и толщиной 30 мм дает возможность наблюдать за изменением состояния продукта, располагаемого внутри камеры, в период работы холодильной установки. На задней торцевой части вмонтирована трехходовая втулка, на которую устанавливаются герметичные электрические разъемы. Герметичные разъем подводит внутрь цилиндра термопары для регулирования и измерения температуры внутри камеры, а также питание на вентилятор. Наружный контур цилиндр изолирован теплоизоляцией K-Flex.

К нижней части холодильной камеры приварены лапы.