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

непосредственно влияет на электрофизические параметры суб­ страта. Так, удельная проводимость стандартных отрубей (ГОСТ 7189—66) порядка 10~7—1СГ9 См/см; удельная проводи­ мость тех же отрубей после увлажнения в соответствии с тех­ нологией до содержания 60% влаги изменяется в десятки тысяч раз (10_3 См/см). Кроме того, на электрические свойства подоб­ ных материалов сказываются температура окружающей среды и частота.внешнего электрического поля. Учет этих и иных фак­ торов обусловливают сложность и специфичность измерения электрофизических параметров питательных сред, подлежащих высокочастотному нагреву.

На основании предварительных исследований принята пло­ ско-параллельная конденсаторная схема. Для частоты 40,68 МГц установлена необходимость изменения воздушного зазора меж­ ду пластиной конденсатора и продуктом.

Необходимую продолжительность т (с) для достижения сте­ рилизующего эффекта можно определить по эмпирической фор­ муле

бей для толщины слоя 14—40 мм (мощность генератора 10 кВт) составляет 60—140 с. Амилолитическая активность культуры гриба, выращенного на отрубях, стерилизованных токами вы­ сокой частоты, не ниже активности аналогичной культуры, вы­ ращенной на тех же отрубях, обработанных обычным методом.

Конструктивно высокочастотный стерилизатор выполнен в виде линейного конвейера (рис. 174). Продукт из бункера по­ ступает на ленту, которая проходит зону обработки в конденса­ торе с переменным зазором. Стерилизованный продукт собирает­ ся в сборник. Ориентировочный экономический эффект от высо­ кочастотной стерилизации пшеничных отрубей составляет 18 руб. на 1 т продукции.

Неоднократно отмечено угнетающее действие электромагнит­ ного излучения высокой частоты на различную микрофлору. Были сделаны попытки объяснить это специфическим действием токов высокой частоты. Однако ряд исследований [36, 148] по­ казал, что гибель микрофлоры происходит в результате тепло­ вого, вернее, тепломеханического воздействия токов высокой

400

частоты на микробную клетку, т. е. в результате селективного выделения тепла непосредственно в микробной клетке.

Под действием токов высокой частоты довольно резко ускоря­ ются автолитические процессы в мышечной ткани [4]. Проведен­ ные исследования [83] показали, что использование токов вы­ сокой частоты позволяет ускорить процесс созревания мяса. Так, при обработке мышечной ткани электромагнитной энергией

Рис. 174. Высокочастотный стерилизатор для питательных сред:

/ — б у н к ер ; 2—к о н в е й е р н а я л е н т а ; 3— р аб о ч и й к о н д е н с а т о р ; 4—сб о р н и к ; 5 — в ы со ­ к о ч ас т о т н ы й г е н ер а т о р .

Рис. 175. Автолитические изменения в мышечной ткани под воздействием токов высокой частоты:

а — с к о р о с ть р а с п а д а гл и к о г е н а в м я с е ; б — с к о р о с ть и зм е н е н и я p H в м я се ;

/ — о б р а зе ц в х о л о д и л ь н и к е ; 2— о б р а з е ц в т е р м о с т а т е ; 3— о б р а з е ц в в ы со к о ч а ст о т ­ н ом п о л е .

401

на частоте 39 МГц при мощности источника 150—200 Вт удалось установить, что распад гликогена (рис. 175, а) ускоряется почти в 2 раза (кривая 3) по сравнению с распадом гликогена в образ­ це, находящемся в термостате (кривая 2), и в 4 раза по сравнению с распадом гликогена в образце, который хранили в холодиль­

частоты, снижается более резко.

Ранее отмечалось, что под действием равномерных высоко­ частотных полей дисперсная фаза биологических дисперсных сис­ тем (молоко, кровь, микробиальная взвесь и др.) выстраивается в устойчивые цепочки — агломераты. Этот эффект молото исполь­ зовать для повышения степени обезжиривания молока при се­ парировании [103].

Продолжительность построения жировых шариков в нату­ ральном молоке в зависимости от градиента напряжения, вы­ численная теоретически и проверенная экспериментально, при­

Все жировые частицы молока независимо от размера строятся

вцепочки под действием равномерного электрического поля вы­ сокой частоты. Этому эффекту подвержены и те шарики, которые находятся во взвешенном состоянии даже в центробежном поле. Понятно, что вес каждой такой цепочки больше веса самого боль­ шого жирового шарика. Поэтому, подавая молоко, предваритель­ но обработанное ВЧ-полем (шарики жира построены в шнуры)

всепаратор, можно добиться практически полного выделения жира из молока.

Исследования по использованию эффекта шнурообразования жировых шариков молока при обезжиривании его в сепараторах, проведенные в лабораторных условиях, показали, что в среднем контрольные пробы обезжиренного молока (молоко не подвер­ галось воздействию ТВЧ) содержали 0,08% жира, а рабочие (молоко подвергалось обработке ТВЧ перед сепарированием) — до 0,01% жира, т. е. обработка молока в равномерном электри­ ческом поле высокой частоты перед сепарированием позволила снизить содержание жира в обезжиренном молоке в 8 раз.

Высокочастотная установка промышленного типа для обра­ ботки молока перед сепарированием представляет собой диэлек­

402

высокой частоты. Источником тока является генератор УВЧ-4 мощностью 80 Вт. Обработка молока ТВЧ ведется в потоке, ха­ рактер которого близок к ламинарному.

При плоскопараллельной системе электродов наблюдаются по­ тери мощности из-за рассеивания поля, поэтому разработан коаксиальный вариант установки (рис. 176, б), который пред-

Рис. 176. Высокочастотные установки для предварительной обработки мо­ лока перед сепарированием:

а —с плоскопараллельной системой электродов: 1—электроды; 2—диэлектрическая

труба; 3—ВЧ-вводы; б—с коаксиальными электродами: 1—внутренняя труба; 2—наружная труба; 3 —

конус-переход; 4—изоляторы; 5—вводы.

ставляет собой систему концентрических колец (труба в трубе), изолированных одно от другого, между которыми создается рав­ номерное электрическое поле высокой частоты. Система состоит из четырех труб диаметром 50, 116, 182 и 250 мм, изолированных одна от другой фторопластовыми вкладками. Между внутренними и внешними поверхностями труб создается равномерное элек­ трическое поле высокой частоты. Длина установки 2200 мм.

Несмотря на некоторые технологические трудности в изго­ товлении предлагаемой системы, такая конструкция установки дает возможность создать ламинарный режим течения продукта в концентрических каналах, обеспечивает заполнение всего объема установки, исключая возможность появления границы раздела жидкость —• воздух. ,

403

Электрическое поле в системе создается высокочастотным ге­ нератором УВЧ-4. Наружная труба заземлена. Такая схема

вустановке, т. е. по мере увеличения числа Рейнольдса, степень обезжиривания постепен­ но уменьшается. При этом содержание жира в обезжиренном молоке практически равно нулю

вусловиях автомодельного режима (Re = 570-^2280). Совершенно очевидно, что наиболее эффективно установка будет работать при

условии ламинарного режима течения молока. Расчеты показывают, что при высокочастот­ ной обработке молока и других видов моло­ чной продукции (например, сливок) перед

Содержаниежира’ ,% сепарированием существенно сокращаются затраты по сырью, в среднем от 0,5 до 1%.

Рис. 177. Зависи- Причем расход электроэнергии составляет мость степени обез- 140 Вт на 1 т сырья. Проведенные расчеты ясирнвания молока, позволяют сделать вывод о экономической

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ОБРАБОТ­ КИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

ОСОБЕННОСТИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА

К основным особенностям поля СВЧ следует отнести: способность проникать на значительную глубину внутрь образца; независимость длительности нагрева до задан­ ной температуры от объема и формы изделий; отсутствие контакта обрабатываемого изделия с теплоносителем; высокий к. п. д. преобразования энергии в тепло, выделяемое в нагреваемом объекте.

Эффективность СВЧ-аппаратов зависит от четкого определе­ ния сферы использования его в общей технологической цепи, значительно от срока работы генератора С ВЧ — магнетрона,

404

уровня подготовки обслуживающего персонала к эксплуатации СВЧ-техники.

При СВЧ-нагреве возможно сконцентрировать весьма высо­ кие энергии в небольших объемах материала, при этом, варьи­ руя геометрией и напряженностью электрического поля, можно создать условия, при которых температура в центре изделия будет значительно выше, чем на его поверхности. Это позволяет по-новому организовать и интенсифицировать технологические процессы, а в ряде случаев создать новые процессы, невозмож­ ные при использовании традиционных методов.

Однако несмотря на преимущества СВЧ-нагрева не следует отвергать традиционные методы; наоборот, в рациональном их сочетании — наиболее плодотворный и конструктивный путь.

СВЧ-нагрев пищевых продуктов — достаточно сложная тех­ ническая задача не только с точки зрения техники генерирова­ ния СВЧ, но и со стороны особенностей строения и свойств про­ дуктов.

В самом деле, в процессе тепловой обработки пищевые про­ дукты подвергаются глубоким изменениям, в том числе и их диэлектрические свойства, что влияет на течение СВЧ-нагрева. Особенно резко этот эффект заметен при размораживании мяса, рыбы и других продуктов, когда фактор потерь лавинообразно возрастает в десятки раз. Естественно, что управлять таким про­ цессом трудно.

Широкое промышленное использование СВЧ-метода стало возможным лишь после создания стабильного источника СВЧэнергии — магнетрона. К настоящему времени разработаны маг­ нетроны значительной мощности, со сроком службы несколько тысяч часов и к. п. д., превышающим 75%. Есть все основания считать, что в ближайшее время будут выпущены приборы, обла­ дающие к. п. д. 90%. В табл. 108 приводятся сведения о не­ которых промышленных СВЧ-приборах, производимых за ру­ бежом [105, 113, 136].

Передача СВЧ-энергии возможна по трубам-волноводам, если их поперечные размеры достаточно велики для передаваемой

•частоты. Волноводы бывают круглого и прямоугольного сече­ ния [113].

В связи со спецификой СВЧ-поля возможно три основных источника утечки СВЧ-энергии: катодные ножки магнетрона, дверцы технологических устройств, рабочие отверстия и вен­ тиляционные каналы.

Советскими учеными проведены исследования по биологичес­ кому воздействию СВЧ-поля, они положены в основу при раз­ работке норм утечки [29, 97].

Принятые в СССР нормы утечки — самые строгие (рис. 178). Как видно из рис. 178, отличие в допустимом уровне излучений

405

*При фиксированной фазе.

**При изменяющейся фазе.

достаточно большое (в 10 раз), в то же время трудно переоце­ нить значения жестких норм при промышленном использовании СВЧ-энергии.

Характер поглощения материалов с большой степени за­ висит от согласования генера­ тора с нагрузкой, а также от поведения самой нагрузки (про­ дукта) в процессе нагрева. Не­ поглощенная энергия отражает­ ся и в линии передачи возни­ кают стоячие волны. Это явле­ ние характеризуется коэффици­ ентом стоячей волны по напря­ жению т.

Отношение напряжения в максимуме к напряжению в ми­ нимуме стоячей волны и пред­ ставляет собой т:

406

что напряжение в отраженной волне пропорционально абсолют­ ному значению /', можно записать

1 + М

(III—125)

1 - И

Из этого выражения можно получить зависимость коэффи­ циента отражения, как функции т:

При г — 0 отражение отсутствует, а при г — 1 наблюдается полное отражение волны.

Вхорошо согласованных устройствах т близок к 2. Однако

вряде случаев удается еще более снизить значение этого коэф­ фициента, так, при нагреве сосисочного фарша в волноводном устройстве т<_ 1,5.

Для рационального построения технологического процесса и выбора геометрии продукта совершенно необходимо учитывать

Глубина проникновения электромагнитной энергии в про­ дукт при условии ослабления до 37% определяется как

407

Принципиально СВЧ-аппарат должен состоять из ряда не­ обходимых элементов (рис. 179): источника питания; преобра­ зователя СВЧ-энергии; устройства для транспорта СВЧ-энер- гии; устройства связи, обеспечивающего передачу энергии к нагрузке (продукту); устройства, создающего равномерный ха­ рактер распределения энергии при нагреве; собственной на­ гревательной камеры с транспортным устройством; системы СВЧ-ловушек и герметизирующих уплотнений, предотвращаю­ щих излучение в окружающую среду, а также системы управ­ ления с обратной связью между элементами.

В ряде случаев, особен­ но для конвейерных уст­ ройств, для получения большой мощности в уста­ новках СВЧ-нагрева ис­ пользуют несколько гене­ раторов. Это вызвано не только тем, что количество’ мощных генераторных при­ боров недостаточно, но в- большей мере тем, что па­ раллельная работа нес­ кольких генераторов СВЧ дает следующие преиму­ щества по сравнению с одиночным генератором

[113]:

1. Каждый генератор может работать без синхронизации. Генераторы можно вклю­ чать так, чтобы связь между ними была минимальной (необхо­ димое условие при несинхронной работе).

2.Снижаются начальная стоимость и расходы по эксплуата­ ции источника питания, так как он состоит из менее мощных блоков и элементов, изготовляемых более крупными сериями. Можно свести до минимума длительность простоя оборудования при замене отдельных блоков.

3.Наличие нескольких облучателей и несинхронная работа генераторов дают усреднение суммарных отражений, что при­ водит к высокой степени равномерности нагрева.

4.Индивидуальным режимом генераторов можно управлять

спомощью фотоэлементов, обнаруживающих перерывы в подаче обрабатываемых изделий по конвейеру. Автоматическое выклю­ чение и включение генераторов позволяют избежать излишних потерь энергии и предотвратить перегрев продукции.

Рабочие камеры нагревательных СВЧ-устройств делают за­ крытой формы со стенками из материалов, хорошо проводящих

408

электричество. Из-за низкого фактора потерь стенок камеры очень небольшая доля энергии в них затухает.

Энергия отражается стенками камеры, которые остаются хо­ лодными. Практически все пищевые продукты с электрической точки зрения являются диэлектрическими материалами с по­ терями, поэтому продукты, помещаемые в рабочую камеру, пог­ лощая СВЧ-энергию, быстро и эффективно нагреваются.

Нагревательные СВЧ-установки подразделяют на установки периодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия используют в основ­ ном резонаторные камеры прямоугольной и цилиндрической фор­ мы. В качестве примера СВЧ-установок малой мощности, исполь­ зуемых при обработке кулинарных изделий, приведены печи

Рабочая камера печей представляет собой замкнутый объем, в котором возбуждается СВЧ-электромагнитное поле. Ввод энер­ гии в камеру осуществляется непосредственно антенной коакси­ ального вывода энергии магнетрона, которая входит в камеру снизу и закрыта предохранительным колпаком. Лицевая часть рабочей камеры закрыта откидывающейся вниз дверью.

409