книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

Зависимость диэлектрических свойств мясного фарша (говя­ дина, плечевая часть: влажность 76,5%, жирность 2%) от ряда

перераспределение влаги в продукте, приводящее к некоторому увеличению е". Однако последующие денатурационные процес­ сы и, как следствие этого обезвоживание продукта, ведут к до­

стью существует прямая зависимость. Частотный ход диэлект­ рических характеристик мясного фарша (рис. 134, е) указывает, что в интервале 2400—3500 МГц г " остается практически неиз­ менной, а е' уменьшается, но незначительно.

Температурная зависимость диэлектрических свойств белого и красного мяса кур (рис. 135) на частоте 2400 МГц показывает, что при нагреве влага в составных частях мяса перераспределя­ ется, что влечет за собой изменение диэлектрических свойств.

Диэлектрические свойства некоторых животных тканей [142], измеренных на частоте 1000 МГц при температуре 18° С, приве­ дены в табл. 84.

330

Значительный интерес, особенно для размораживания пище­ вых продуктов, представляют электрофизические свойства их при отрицательных температурах. Переход влаги в лед в про-

331

дуктё существенно влияет на s' и в". В табл. 87 приведены диэлектрические свойства говядины и воды в функции частоты и температуры [153].

‘ Понимается глубина, на которой энергия затухает на 50%,

Данные, приведенные в литературе [153], показывают, что 10% содержащейся в мышцах говядины воды остается незамо­ роженной при температуре —30° С. Поэтому можно пред­ положить, что диэлектриче­ ские свойства замороженных продуктов частично определя­ ются количеством незаморо­

женной воды в продукте. Максимальные значения

e'(i) сгущенного молока без сахара соответствуют темпе­ ратуре 30° С (рис. 136) [123].

Характерно, что зависимости е"(ЙТ) имеют максимумы, со­ ответствующие значениям со-

Рнс. 136. Зависимость е' и в" сгущен ного молока без сахара от содержа ния влаги на частоте 3000 МГц:

1 — /=30° С; 2 — /=45° С; 3 — /=60° С.

332

держания влаги в продукте, при которых наблюдаются максиму­ мы электропроводности.

Для картофеля и различных овощей также отмечается бли­ зость диэлектрических характеристик (табл. 88).

Т а б л и ц а 88

При тепловой обработке картофеля и овощей диэлектричес­ кие свойства понижаются. Эмпирические зависимости, связы­ вающие температуру и диэлектрические свойства сельскохозяй­ ственных культур для интервала температур 20—98° С при час­ тоте 2400 МГц, имеют следующий вид [55]:

для картофеля

333

для моркови

для свеклы

ес = Ес. н + 0 >0064 V — 5°)2 = 0,55 (f — 50) — 11,4;

(II1-84)

■exp (0.048Q

Влияние влажности картофеля и овощей на диэлектрические свойства в интервале естественных колебаний также описы­ ваются эмпирическим уравнением вида [55]:

г'к = 0 , 1 0 3 ( И 7 — 6 9 , 8 ) 2 + 4 9 , 7 ;

(II1-85)

е' = 0 , 5 8 ( № — 6 9 , 8 ) 2 + 1 1 ,4 ;

ем = 1 ,7 3 1 1 7 — 8 6 , 4 ;

е" = 0 , 5 3 1 1 7 — 3 1 , 4 ;

ес = 0,282 (117— 81,7)2 + 47,8;

( I I 1-86)

е" =0,41 Ц7— 21,2.

При варке картофеля и овощей в СВЧ-поле отмечено, что растворимые вещества клеточного сока остаются в продукте. В связи с этим диэлектрические свойства вареных овощей, при­ готовленных обычным способом в воде и СВЧ-методом, несколь­ ко отличаются (табл. 89).

Т а б л и ц а 89

334

ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ, ВЫ­ СОКОЧАСТОТНОЙ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТ­ НОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Для питания устройств электроконтактного нагрева током частотой 11—14 кГц можно использовать машинные, электронные, ионные и тиристорные преобразователи тока промышленной частоты в ток высокой частоты. Наиболее распространенными из них являются однополярные, или униполярные, с пульсирующим полем; переменно­ полюсные с пульсирующим полем.

Выбор индукторного генератора высокой частоты обусловливается частотой тока. Для получения частот выше 10 кГц используют генерато­ ры с переменным полем, имеющие большую индуктивность обмотки ста­ тора. Для стабилизации напряжения, увеличения коэффициента мощно­ сти и к.п.д. в цепь последовательно включают конденсаторы.

Отечественная промышленность выпускает специальные удвоители частоты типов УЗГ1-10/16, УЗГ1-25/16 и УЗГ1-100/16, которые можно ставить к машинным индукторным генераторам типов ВП4-12/8000,

ВП4-30/8000, ВП4-100/8000.

Сибирский научно-исследовательский электротехнический институт разработал машинные генераторы, преобразователи тока в которых име­ ют высокие технико-экономические показатели. Диапазон мощностей этих генераторов — от 250 до 2500 кВт, а диапазон частот — от 1000 до 10 100 Гц, к.п.д. их увеличен на 2,7—13,4%, занимаемая площадь уменьшена в 3,6—5 раз, масса — в 1,7—2,6 раза, расход воды — в 2,5—

7раз.

Всвязи с выпуском мощных тиристоров, способных работать на час­

тотах до 2000 Гц, и мощностях, измеряемых десятками киловатт (тири­ сторы типа УПВК.П и ПМЛ), разработаны схемы тиристорных преобра­ зователей высокой частоты. По сравнению с машинными генераторами они имеют высокий к.п.д. (92%), способны поддерживать постоянную мощность путем автоматического регулирования частоты; в них быстро осуществляется выход на номинальный режим работы при включении.

Тиристорные преобразователи состоят из двух основных узлов: вы­ прямителя, преобразующего ток промышленной частоты в постоянный, и однофазного автономного инвертора, преобразующего постоянный ток в ток высокой частоты. Для получения тока высокой частоты (до 20 кГц) достаточной выходной мощности (десятки киловатт) используют схемы двух-, трех- и многоячейковых тиристорных инверторов или схемы с уд­ воением либо умножением частоты.

Известно большое число схем многоячейковых инверторов с пооче­ редным включением тиристоров разных ячеек. Применение схем инвер­ торов, состоящих из п ячеек, позволяет превышать предельную выход­ ную частоту инвертора более чем в п раз по сравнению с предельной час­ тотой одноячейкового инвертора, так как с увеличением числа ячеек резко увеличивается время tB(с), отводимое на восстановление управляе­

мости вентилей.

Наряду с другими типами преобразователей тока промышленной частоты в токи высокой частоты получили распространение инверторы, созданные на базе ионных вентилей и электронных ламп. К.п.д. ионных инверторов составляет 85—92% (постоянные потери 3—4%, а в машин­ ных генераторах 10—12% номинальной мощности).

В производственных процессах, где требуется диапазон частот 10— 30 кГц и выше, в качестве источников тока применяют исключительно ламповые генераторы. Полный к.п.д. их составляет не более 60%.

335

Работы, проводимые в ряде институтов, показали, что использование в инверторных схемах электронных ламп вместо ионных вентилей откры­ вает значительные перспективы. При сохранении особенностей схемы инвертора режим работы электронной лампы становится подобным ре­ жиму работы ионного вентиля. Полный к.п.д. инвертора на электронных

В отраслях пищевой промышленности перспективна сверхвысокочас­ тотная техника. В настоящее время основным прибором, преобразующим постоянный или переменный ток в ток сверхвысокой частоты, является магнетрон (рис. 137). В резонаторе находится петля связи, через кото­ рую по коаксиальному выводу и отводится СВЧ-энергия. Торцовая часть анодного блока закрыта торцовыми стенками. Катод укреплен в центре анода на ножке, которая является также проводом питания. Охлаждение анодного блока производится воздухом или водой. Магнетрон помещает­ ся между полюсами магнита, который создает магнитное поле, перпенди­ кулярное электрическому между анодом и катодом. В результате взаимо­

336

действия электронов с электромагнитным полем образуются сгустки электронов в тормозных областях поля. В магнетроне цилиндрической формы сгустки электронов имеют форму спиц, вращающихся синхронно с бегущей электромагнитной волной.

Очень близок к магнетрону по принципу работы прибор-усилитель амплитрон, который, однако в отличие от магнетрона обладает важным

Рис. 138. Принципиальная схема амплитрона:

в несколько сот киловатт.

Как и в магнетроне в амплитроне используется принцип взаимодей­ ствия в скрещенных полях и с замкнутым электронным потоком.

Электроны, эмитируемые на катоде под действием внешнего электри­ ческого поля и статического магнитного поля, вращаются по концентри­ ческим окружностям (рис. 138). При определенных значениях напряжен­ ности поля электроны начинают вращаться с почти такой же угловой скоростью, как и ВЧ-волна в замедляющей системе, в результате чего из электронов формируются вращающиеся «спицы» пространственного заряда, наводящие в замедляющей системе ВЧ-токи [19J.

337

Потери энергии в виде тепла, возникающие как результат частичного преобразования кинетической энергии электронов в тепловую, невелики

исоставляют всего 2—5%. Выходная мощность амплнтрона

где Ра— подводимая мощность постоянного тока; Г|'— к. п. д. амплнтрона.

ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЙ НАГРЕВ

Сущность процесса

Перспективность использования в пищевой про­ мышленности процессов, осуществляемых путем непосредствен­ ного контакта электрического тока с продуктом, не вызывает сомнения. Простота аппаратурного оформления, высокий к. п. д., быстротечность, достаточно высокая равномерность температур­ ного поля, доступность контроля и регулирования энергетических параметров — все это свойственно электроконтактному методу.

Электроконтактный нагрев обладает специфической особен­ ностью. Быстрое возрастание температуры по всему объему изделия позволяет создать совершенно новый промежуточный процесс — электрокоагуляцию — кратковременный нагрев (15— 60 с) продукта (например, колбасного фарша) в диэлектриче­ ской форме до температуры 50—70° С. Полученные изделия обла­ дают упругой консистенцией и хорошо сохраняют форму при дальнейшей обработке.

Сущность электроконтактного нагрева заключается в том, что электрический ток, проходя через продукт, обладающий со­ противлением, вызывает его нагрев.

Серьезную проблему представляет выбор частоты тока. При использовании переменного тока промышленной частоты прин­ ципиально возможны проявления электролиза. Дело в том, что за первый полупериод колебаний тока в продукте происходят малозаметные изменения электролитического характера, ко­ торые не полностью рекомбинируют за второй полупериод, что приводит во времени к накапливанию продуктов электро­ лиза. Этот своеобразный гистерезис зависит от частоты тока; с увеличением частоты он уменьшается. Этому важному вопро­ су посвящен ряд исследований, имеющих своей целью уточнить величину приемлемой частоты электрического тока для обработ­ ки пищевых продуктов.

338

Проведенные ВНИИМПом работы по воздействию тока про­ мышленной частоты (50 Гц) на раствор поваренной соли с исполь­ зованием электродов из нержавеющей стали показали, что через 4 ч (60 А/ч) рассол потемнел и в нем был обнаружен гидрат оки­ си железа (0,035 г/л). При повышении частоты количество гид­ рата окиси железа уменьшается. Изучение воздействия элек­ трического тока промышленной частоты на сахарные растворы показало, что происходит дополнительная диссоциация элек­ тролитов, гидратация их ионов, уменьшение количества свобод­ ной воды [31 ].

Особый интерес представляет работа, посвященная изучению электролитических процессов при электроконтактном нагреве мясного фарша с целью получения колбасных изделий [23]. Были проведены исследования, связанные с вопросом исполь­ зования тока повышенной частоты 9—14 кГц. Предварительные исследования проведены на модельном объекте — растворе по­ варенной соли концентрацией 2—2,2% в стеклянных сосудах; электроды из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. На частотах 9— 12 кГц после термической обработки в растворе были обнару­ жены ионы Fe+++, что свидетельствует о наличии электролиза. Затем проводили термическую обработку мясных хлебов на частоте 10 кГц в стальной эмалированной форме с электродами из нержавеющей стали. После шести опытов на электродах были обнаружены электролизные раковины черного цвета размером

1—3 мм.

В каждом опыте была зафиксирована зависимость температу­ ры в разных точках фарша, напряжения и тока от времени. При термической обработке на частоте 14 кГц мясного фарша, изго­ товленного на дистиллированной воде с использованием хими­ чески чистого хлористого натрия для того, чтобы исключить при­ сутствие ионов Fe+++, которые попадают в заводской фарш с водо­ проводной водой и неочищенным хлористым натрием, следов электролиза обнаружить не удалось. Анализ на наличие ио­ нов Fe+++ в обработанном фарше дал отрицательный резуль­ тат [22].

Дальнейшие исследования электроконтактного метода по­ казали, что в диапазоне частот, используемых при данном на­ греве, необратимые химические изменения в продукте, которые могут привести.к ухудшению его качества, может вызвать, повидимому, лишь электрохимическая поляризация. Другие виды поляризации не могут существенно влиять на химический сос­ тав и структуру продукта [13, 23, 138].

Электрохимические реакции в водных растворах сопровож­ дают электролиз воды и растворенных в ней солей. При этом образуется газовая фаза, которая в количественном отношении характеризует глубину электролиза. Количественные исследо­

339