Научное обеспечение и разработка технологии плодоовощных пюреобразных концентратов методом двухстадийного выпаривания и оборудования для ее реализации (31.08.2009)

Автор: Вертяков Федор Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одно из приоритетных направлений реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» – создание перспективных технологий и оборудования для производства высококачественных продуктов функционально-направленного действия. Важным аспектом развития современной пищевой технологии является создание пюреобразных концентратов, снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет использования широко распространенного сырья и экономичных конструкций оборудования для его обработки. Потребление фруктовых и овощных пюреобразных концентратов (повидло, джемы, пасты, соусы и т. п.) непрерывно растет, соответственно увеличиваются капиталовложения в эту отрасль. В 2007 г. выработано 10873 муб плодоовощных консервов, что превысило уровень 2008 г. на 24,9 %, в том числе фруктовых – 8735,5 муб (рост 28,5 %), томатных – 896,7 муб (рост 4,2 %), овощных – 740,2 муб (рост 5,3 %). За 2008 г. выработано продукции на 2230 млрд р.

Однако, несмотря на высокие темпы роста производства пюреобразных концентратов, уровень их потребления в РФ значительно отстает от уровня, достигнутого в развитых странах.

Показатели качества, внешний вид и привлекательность пищевого продукта во многом определяют потребительский спрос, который напрямую зависит от качества исходного сырья и используемой технологии его переработки. Создание технологий, позволяющих перерабатывать сырье и получать продукт с наиболее полным сохранением качественных показателей, – путь успешного, конкурентоспособного развития любого предприятия пищевой промышленности.

Выпускаемые отечественные вакуум-выпарные аппараты для производства концентрированных фруктовых и овощных пюре отличаются от зарубежных аналогов большей массо- и металлоемкостью, более высокими удельными энергозатратами. При этом проведение процесса не отвечает в полной мере основным его закономерностям, что не позволяет обеспечить стабилизацию термодинамических параметров – давления и температуры в рабочей камере аппарата, а следовательно, получить качественные продукты питания нового поколения.

Значительный вклад в развитие теории выпаривания и производство плодоовощных консервов внесли такие ученые, как И.А. Тищенко, Н.И. Гельперин, М.А. Кичигин, Т.А. Колач, Г.Н. Костенко, Н.Ю. Тобилевич, Е.И. Таубман, Д.А. Лобунцов, А.Г. Левачев, И.А. Андерсон, И.И. Чернобыльский, В.А. Ломачинский, Э.С. Гореньков и др.

Одним из путей создания безотходных ресурсосберегающих технологий является применение вакуумного выпаривания для производства продуктов функционального назначения.

Для получения продуктов высокого качества целесообразно соблюдение научно обоснованных рациональных параметров, обеспечивающих стабилизацию температурного режима, определяемого, в частности, величиной разряжения в рабочей камере, а также проведением процесса выпаривания строго в соответствии с основными его закономерностями. Таким образом, выявление таких закономерностей для производства фруктовых и овощных пюреобразных концентратов – актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.

Работа проводилась в соответствие с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА (№ гос. регистрации 0120. 0 603139) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2006-2010 гг.; и планом госбюджетной НИР кафедры технологии хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств (ТХМКП) ВГТА (№ гос. регистрации 01970008815) «Создание и совершенствование ресурсосберегающих технологий при переработке сельскохозяйственного растительного сырья» на 2006-2010 гг.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – научное обеспечение процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания; разработка научно обоснованных рекомендаций по его совершенствованию с моделированием высокоэффективных технологий производства концентрированных пюреобразных продуктов с программируемыми свойствами; создание перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:

( разработка на основании системного подхода рекомендаций по обеспечению совершенствования процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания с учетом его специфических свойств;

( исследование реологических свойств плодоовощного сырья; определение рациональных технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества плодоовощных пюреобразных концентратов;

– разработка научной концепции моделирования высокоэффективных технологий производства плодоовощных пюреобразных концентратов заданного состава с соответствующим аппаратурным оформлением;

( изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания (влияние начальной влажности, температуры, давления и др. на характер протекания исследуемого процесса и качество полученных пюреобразных концентратов) и разработка на этой основе стратегии создания и реализации новых способов производства плодоовощных пюреобразных концентратов сбалансированного состава;

( создание математических моделей течения вязкого плодоовощного пюре по вертикальной обогреваемой стенке вакуум-камеры;

( изучение влияния основных параметров процесса на механизм формирования структуры пюреобразных концентратов; проектирование функциональных продуктов питания с программируемыми свойствами; исследование показателей качества пюреобразных концентратов и оценка их потребительских свойств;

– разработка технических условий на полученные виды пюреобразных концентратов и технологических инструкций к ним;

( создание системы автоматизированного проектирования вакуум-выпарных аппаратов, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов;

( разработка перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов для реализации процесса двухстадийного выпаривания и способов автоматического управления процессом для его интенсификации; проведение промышленной апробации полученных результатов с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в консервной промышленности.

Научная концепция: разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации; создание высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов функционального назначения с соответствующим аппаратурным оформлением на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с физико-химическими и структурно-механическими характеристиками исследуемых видов сырья; разработка системы автоматизированного проектирования перспективного вакуум-выпарного оборудования, обеспечивающего рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

( разработка комплекса проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания, построение моделей и обоснование выбора рациональных технологических параметров;

( определение принципов рационального выбора технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества пюреобразных концентратов;

( обоснование принципов и методов интенсификации и создания высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов с повышенным содержанием термолабильных веществ;

( обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов производства плодоовощных пюреобразных концентратов; концептуальные подходы по интенсификации процесса выпаривания для повышения его эффективности с оценкой показателей качества продуктов; разработка способов регулирования и управления процессом выпаривания;

( методологический подход к созданию системы автоматизированного проектирования оригинальных вакуум-выпарных аппаратов, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов, направленные на интенсификацию процесса выпаривания, сбережение и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций вакуум-выпарных аппаратов.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания (влияние начальной влажности, температуры, давления нагнетания, а также конструкции и размеров форсунки, величины разряжения в вакуум-камере и температуры термостатирования на физику исследуемого процесса и качество полученных пюреобразных концентратов); обоснована необходимость использования выпаривания мелкодисперсного распыления пюре для сохранения термолабильных питательных веществ.

Предложены оригинальные концептуальные подходы по интенсификации процесса испарения пара из мелкодиспергированных капель пюре, формирующие стратегию рационального производства качественных пюреобразных концентратов; получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать изменение радиуса капли пюре, температуру и скорость мелкодиспергированных капель пюре.

Предложены математические модели, описывающие теплообмен при испарении пара из диспергированной струи фруктовых и овощных пюре и процесс выпаривания стекающей пленки пюре по вертикальной стенке вакуум-камеры. Полученное уравнение скорости охлаждения капли позволяет определить температуру и скорость капель в текущем диспергированном сечении струи фруктовых и овощных пюре.

Выявлены основные закономерности процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении плодоовощного пюре в условиях свободного движения на вертикальной стенке вакуум-камеры. Установлен механизм процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении плодоовощного пюре. Определены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении.

Разработана система автоматизированного проектирования оригинальных конструкций вакуум-выпарных аппаратов, позволяющих решить проблему эффективного ресурсосбережения и интенсификации процесса. Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 21 патентом РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы выпарного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2328124, 2335910, 2335911, 2336726, 2337554, 2337555, 2337556, 2337557, 2338379, 2338380, 2338381, 2341963, 2341964, 2341965). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной схеме линии производства плодоовощных пюреобразных концентратов (пат. РФ № 2320244).

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процесса концентрирования плодоовощного сырья методом двухстадийного выпаривания на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Получены новые пюреобразные концентраты функционального назначения, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.

Создана методика инженерного расчета вакуум-выпарных аппаратов, подтверждающая высокую эффективность предлагаемых технических решений.

Для реализации ресурсосберегающих высокоэффективных технологий плодоовощных пюреобразных концентратов разработаны перспективные конструкции вакуум-выпарных аппаратов (пат. РФ № 2319425, 2319426, 2341966), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

Предложены способы автоматического управления процессом производства пюреобразных концентратов с целью интенсификации процесса и получения пюреобразных концентратов высокого качества (пат. РФ № 2337552, 2337553).


загрузка...