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

рость разряда частиц различна, а следовательно, неоднородна и сила притяжения частиц к барабану. Поэтому частицы отрывают­ ся от него неодновременно. Этим пользуются, устанавливая ряд приемных бункеров (по числу классов). Приемные зоны регули­ руются отсекателями. В том случае, когда частицы обладают низкой электропроводностью и длительность их разрядки вели­ ка, используют щетку, которая их снимает с осадительного электрода. Роль отклоняющего электрода сводится к тому, что создаваемое им электростатическое поле будет стремиться при­ жать частицу к заземленному осадительному электроду, т. е. способствовать стеканию заряда с частицы и, в конечном итоге, отрыву ее от электрода. Кроме того, статическое поле отклоняю­ щего электрода более четко ограничивает зону короны.

Продолжительность разрядки различных частиц отличается одна от другой, так для проводников этот заряд будет значи­ тельно меньше QMaKC, а для диэлектриков — близок к QMal(c. Этот заряд называют остаточным. Очевидно, что чем больше раз­ ница в остаточных зарядах, тем более полно и легко разделяется смесь.

На частицу, находящуюся на поверхности осадительного электрода, действует ряд сил [5].

1. Сила электрического поля, определяемая величиной остаточного

2. Сила зеркального отображения, возникающая как результат ин­ дуцирования частицей на поверхности электрода заряда, равного по ве­ личине, но противоположного по направлению:

4.Центробежная сила, возникающая при вращении барабана:

ляющей которой зависит от угла поворота осадительного электрода.

460

Результирующая сила, прижимающая частицу к поверхности элект­ рода,

Силы F0 и F3 удерживают частицу на поверхности осадительного электрода, а силы Дп и Fu отрывают от барабана. По мере выхода частиц из зоны заряда F0 и Fn убывают до нуля. Сила F3 остается при выходе из зоны заряда, но также убывает в связи с разрядкой. По мере поворота барабана сила тяжести Р играет различную роль: так, в верхнем положе­ нии она способствует удержанию частиц на поверхности барабана, а в нижнем — отрыву.

Конструкций сепараторов много; они отличаются в основном формой, при этом принцип действия остается неизменным. Прин­ ципиальные схемы сепараторов приведены на рис. 200 [5]. Принцип работы электрических сепараторов, приведенных на рис. 200, а, б, в, уже разобран достаточно подробно. В отличие от предыдущих аппаратов системы, изображенные на рис. 200, г и д, предусматривают зарядку частиц, либо при прямом кон-

Рис. 200. Принципиальные схемы электрических сепараторов:

электростатический; е — пластинчатый коронный.

461

такте с барабаном, либо через индукцию. Сепаратор, помещен­ ный на рис. 200, е не имеет вращающихся частей и процесс за­ рядки и разрядки протекает на наклонной плоскости.

Электрическую сепарацию можно с успехом использовать в процессах обработки муки, подсолнечника, зерна, выделения металлических неферромагнитных примесей и др.

Проведены глубокие исследования по созданию комплекса зерноочистительных машин на базе использования коронного разряда [1]. Установлено, что, кроме процессов разделения, в результате обработки зерна электрическими полями мука из него обладает повышенными хлебопекарными свойствами.

Процесс разделения зерна в поле коронного разряда зависит от влажности и температуры воздуха. В связи с этим осадитель­ ный электрод покрывают слоем изоляции, что позволяет стаби­ лизировать плотность объемного заряда. При наличии на элект­ роде изоляции резко изменяется характер процесса. Для случая когда изоляция на осадительном электроде приводит к частич­ ному запиранию тока короны, плотность зарядов на поверхно­ сти электродов равна [1]

Суммарная электрическая сила, действующая на зерно;

Отсюда следует, что для прижатия зерна должно выполнять­ ся условие;

462

Весьма эффективны электрические сепараторы при выделе­ нии из сыпучих пищевых продуктов металлических примесей. Разработан электросепарационный способ автоматического вы­ деления неферромагнитных металлических примесей, исследо­ ванный на Московском желатиновом заводе, где очищался пи­ щевой дробленый желатин от алюминиевых частиц, попадающих

вготовую продукцию после ее сушки на алюминиевых сетках

иизмельчения на дробильных машинах [11].

По своим электрическим свойствам пищевой желатин отно­ сится к классу диэлектриков. Его удельное объемное сопротив­ ление при 20° С и влажности не более 16% лежит в пределах 1010—1012 Ом -см. В то же самое время удельное сопротивление алюминия составляет 2,8 -10-0 Ом-см. Такое различие в элект­ ропроводности позволяет использовать для разделения желати­ на и неферромагнитных металлических примесей коронные и ко­ ронно-электростатические барабанные сепараторы.

При подаче на электроды высокого напряжения 15—25 кВ между отклоняющим электродом, имеющим большую поверх­ ность, и барабаном образуется неоднородное электрическое поле, а между коронирующим электродом с малой поверхностью и ба­ рабаном — коронный разряд. Коронирующий электрод обычно располагают под углом 25—35° по отношению к вертикальной оси барабана, а отклоняющий — под углом 50—70°.

Металлические частицы ввиду малого сопротивления быстро разряжаются на заземленный электрод — барабан. Частицы же­ латина, как обладающие большим сопротивлением, разряжают­ ся медленнее и за счет оставшихся на них электрических заря­ дов притягиваются к поверхности барабана.

За время вращения барабана на частицы, находящиеся на его поверхности, действует центробежная сила, стремящаяся ото­ рвать их от барабана. Металлические неферромагнитные примеси отрываются как только центробежная сила превышает нормаль­ ную составляющую силы тяжести. Это происходит обычно в зоне отклоняющего электрода, где электрическое поле неоднородно. При движении на частицу начинает действовать пондеромоторная сила, направленная в сторону отклоняющего электрода, т. е. стремящаяся еще более удалить частицу от барабана. В ре­ зультате суммарного воздействия этих сил неферромагнитные частицы попадают в сборник примесей.

Частицы желатина благодаря наличию электрического за­ ряда удерживаются на поверхности вращающегося барабана. Попадая из зоны коронирующего электрода в зону отклоняюще­ го, они испытывают дополнительную силу, прижимающую их к барабану, так как заряженные частицы имеют тот же знак, что и отклоняющий электрод. При дальнейшем движении круп­ ные частицы за отсекателем могут отрываться от поверхности

463

барабана, поскольку нормальная составляющая силы тяжести меняет свое направление. Оторвавшиеся частицы через конусо­ образную воронку направляются в сборник очищенного жела­ тина. Более мелкие частицы продолжают движение вместе с ба­ рабаном и сбрасываются с его поверхности резиновой щеткой, вращение которой противоположно направлению вращения ба­ рабана. Далее через ту же конусообразную воронку мелкие частицы попадают в сборник.

Для очистки пищевого дробленого желатина от алюминие­ вых примесей использован коронно-электростатический бара­ банный сепаратор типа ПС-1 производительностью 30—40 кг/ч при длине осадительного электрода (барабана) 150 мм, диаметре

150 мм.

Окружная скорость барабана составляет 0,35—4,7 м/с. На­ пряжение на электродах 8—27 кВ, мощность, потребляемая се­ паратором от сети переменного тока, 270 Вт.

В результате проделанного эксперимента установлено, что в среднем из тысячи частиц, пропущенных через сепаратор, 998 оказывались в сборнике примесей и только две — в желатине. Установлено также, что оптимальные условия очистки получа­ ются при расстоянии 40—50 мм между коронирующим, откло­ няющим и осадительным электродами и подаче на них напряже­ ния около 18—21 кВ. При уменьшении напряжения ток корон­ ного разряда падает, что снижает электрический потенциал заряжаемых частиц желатина и увеличивает вероятность попада­ ния наиболее крупных из них в сборник примесей. Увеличение высокого напряжения повышает ток короны и увеличивает сте­ пень зарядки частиц, но зато может вызвать возникновение ис­ крового разряда, при котором происходит кратковременное сни­ жение высокого потенциала, подаваемого на электроды.

Скорость вращения осадительного электрода выбирают в за­ висимости от степени измельчения желатина. При сортировке крупного желатина окружная скорость составляет 0,8—1,0 м/с. При уменьшении скорости снижается производительность сепа­ ратора, а с увеличением ее повышается центробежная сила, действующая на частицы, что вызывает преждевременный отрыв наиболее крупных из них от поверхности барабана. В случае очистки мелкого желатина окружную скорость осадительного электрода можно увеличить до 1,0—1,2 м/с. Возникающая при этом центробежная сила практически не отрывает частицы от поверхности барабана, так как, помимо указанных сил, в этом случае заметное влияние оказывают силы адгезии. Производи­ тельность сепаратора возрастает на 15—25% и достигает мак­ симальной величины.

Процесс очистки пищевого дробленого желатина от неферро­ магнитных примесей отличается высокой экономичностью. У со­

464

временных промышленных коронных электростатических сепара­ торов к. п.д. может достигать 92—98%, а расход электрической? энергии на процесс сепарации равен около 0,1 кВт-ч/т.

ЭЛЕКТРОКОПЧЕНИЕ

ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Электрофоретическое осаждение компонентов коптильного дыма на различных пищевых продуктах представ­ ляет собой процесс электрокопчения. Этот способ также основан на явлении самостоятельной ионизации.

В результате осаждения дыма на поверхности продукта и проникновения его компонентов внутрь происходит окрашива­ ние поверхности изделия в коричнево-золотистые тона, продукт приобретает специфический аромат и вкус копчения, а также до­ стигаются бактериальный и антиокислительный эффекты.

Процесс электрокопчения при средней плотности дыма проте­ кает очень быстро (2—5 мин). Однако при этом не происходит сушки продукта, в связи с чем весьма затруднительна его срав­ нительная оценка с обычным тепловым копчением. Использова­ ние инфракрасного излучения для подсушки продукта позволя­ ет получать сравнимые результаты [2, 3, 4, 16].

Существует ряд схем электрокопчения. Принципиально схе­ мы электрокопчения очень просты (рис. 201). Для стабилизации самостоятельной ионизации используют резко неравномерное электрическое поле, например между проволокой и плоской пластиной. Именно этой цели отвечает первая схема (рис. 201, а). Тогда электростатическое поле создается заведомо неравномер­ ным, практически не зависящим от размеров продукта. Корони-

Рис. 201. Принципиальные схемы электрокопчения:

465

рующий (активный) электрод вместе с положительно заряжен­ ной пластиной (пассивный электрод) создает неравномерное электрическое поле. Как результат максимальной напряженно­ сти электрического поля у активного электрода возникает корона, в зоне которой происходит интенсивная ионизация компо­ нентов коптильного дыма, подаваемого снизу. В качестве коронирующего выбирают отрицательный электрод, так как подвиж­ ность отрицательных ионов больше, чем положительных. Обра­ зованные в зоне короны ионы адсорбируются на частичках дыма, сообщая им заряд, под действием которого они приобретают направленное движение в электрическом поле. В результате после столкновения с продуктом заряженные частицы осажда­ ются на его поверхности. При движении заряженных компонен­ тов коптильного дыма в движение могут быть вовлечены нейт­ ральные элементы [9, 16], что особенно важно для паровой фазы. В связи с некоторой селективностью действия электростати­ ческого поля на составные части дыма возможна некоторая раз­ ница в аромате и вкусе изделий копченых в электрокоптильных и обычных установках. Однако, варьируя напряженностью поля [4, 6] и используя специальные приемы обработки дыма, можно получать продукты, практически не отличимые от обычных.

При работе по второй схеме (рис. 201, б) продукт используют в качестве пассивного электрода, причем коронирующие элект­ роды расположены по обе стороны продукта. В этом случае электростатическое поле не будет стабильно неоднородным, как в первом, что может привести к возникновению обратной коро­ ны и образованию темных ободков излишних коптящих веществ на острых углах продукта.

Некоторое распространение получила схема предваритель­ ной ионизации дыма (рис. 201, б). Дым, проходя через иониза­ ционную решетку (например, из тонких проволочек), ионизиру­ ется и затем осаждается на продукты [9 ]. Недостатком этого способа следует считать излишнюю обработку дымом частей про­ дукта, наиболее близко расположенных к ионизационной ре­ шетке.

Процесс электрокопчения сложен, особенно его физико-хи­ мическая сущность. Он зависит от большого числа факторов: напряжения, расстояния между электродами, скорости движе­ ния дыма, концентрации дыма, состава дыма и пр. Поэтому получение аналитической зависимости для такого количества весьма нестабильных факторов затруднительно. Эксперимен­ тальные зависимости влияния некоторых факторов на процесс электрокопчения приведены на рис. 202. В качестве критерия лрокопченности продукта принята концентрация фенолов, вы­ раженная через оптическую плотность дыма. Как видно из рис. 202, скорость электрокопчения тем больше, чем выше на­

466

пряжение при оптимуме расстояния между электродами 70—

85мм.

Некоторые исследователи указывают на влияние напряжения

поля на органолептические показатели готовой продукции. Так,.

м/мин ница: шкалы фотометра

Рис. 202. Концентрация фенолов в продукте в процессе электрокопчения в зависимости от различных факторов:

польские исследователи утверждают, что при повышении напря­ жения до 44 кВ (при постоянной напряженности поля) улучшат ется качество готовой продукции. Соответственно положительно сказывается и повышение плотности дыма, хотя при этом уве­ личивается протекающий в цепи ток.

467

Физические основы электрокопчения сводятся к тому, что первоначальные компоненты коптильного дыма под действием электростатических сил осаждаются на поверхности продукта,

.а затем в соответствии с законом диффузии проникают в про­ дукт. Исследования, показавшие немедленное проникновение частицы дыма под действием электростатического поля на незна­ чительную глубину, практически не меняют существа дела. Под­ вод тепла, к продукту (обычно для подсушки) ускоряет диффу-

2S

открытое курево; 2 — фрикционный дымогенератор; 3 — кутизиновая оболочка и от­ крытое курево.

зию коптильных компонентов в продукт. На рис. 203, а приведен график зависимости глубины проникновения фенолов в про­ дукт в результате термодиффузии. Как видно из графика, ско­ рость проникновения изменяется от максимума в начале процес­ са до нуля. Такое падение скорости — есть результат снижения перепада температур. В результате термодиффузии проникнове­ ние фенолов в продукт увеличивается в 1,5 раза.

Процесс диффузии коптильных веществ в продукт можно рассматривать как диффузию в гели, обладающие структурной вязкостью. К таким гелям относится и животная ткань, причем концентрация животного геля характеризуется изменением ко­ личества белка и воды. Количество продиффундировавших ве­ ществ через определенный слой можно определить по формуле

[6 ]

К = о зКсГ

468

г — средняя толщина продукта;

Z — продолжительность диффузии;

г

— — средний путь диффузии.

В основном скорость процесса будет предопределяться раз- з-юстыо концентраций на поверхности и внутри продукта. Коли­ чество коптящих веществ, оседающих на поверхности продукта, при прочих равных условиях зависит от напряжения электри­ ческого поля.

Установлено, что наилучший цвет (золотисто-желтый) про­ дукт приобретает при напряженности 4 кВ/см.

Проникновение фенолов с поверхности продукта внутрь для

.колбасных изделий зависит не только от вида оболочки, но и от способа дымообразования [9]. На рис. 203, б показаны графики, характеризующие глубину проникновения фенолов. Наиболее интенсивно проникают фенолы в случае открытого дымообразо­ вания (кривая 1). Фенолы из дыма, полученного на фрикцион­ ном дымогенераторе (кривая 2), проникают медленнее. Мини­ мальная глубина проникновения наблюдается у колбас с кутизииовой оболочкой (кривая 3), хотя условия копчения были такие же, как и в первом случае.

Показатель плотности дыма условен, так как нет общеприня­ той единицы. Рядом исследователей были предложены различные приборы для определения плотности дыма, в основном фото­ метрические, но в силу различных обстоятельств они не получили распространения. Целесообразнее эту величину выразить через концентрацию частичек коптильного дыма. Степень дисперсности

Достаточное представление о количественных соотношениях дает кониметрическая концентрация дыма (табл. 120).

469