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

акустические течения, в ряде случаев знакопеременные напряже­ ния на участке очистки, радиационное давление. Общий харак­ тер взаимосвязи различных факторов, влияющих на процесс ультразвуковой очистки, показан на рис. 239 [87]. Большинство исследователей считает, что основным фактором является кави­ тация. Именно пульсациям кавитационного пузырька принад­ лежит главная роль в процессе отслоения пленок загрязнения от поверхностей.

Для мойки стеклянной тары используют роторные и кон­ вейерные аппараты. На рис. 240, а показана роторная установка конструкции ЦКБ «Продмаги». Установка состоит из ротора с ячейками для посуды. Ротор вращается в ванне, залитой водой. Изделие обрабатывается с двух сторон. С этой целью установле­ ны два ряда магнитострикционных излучателей: внутренний и внешний. Грязную посуду загружают в зоне 3, а выгружают

520

в зоне 4, мойка завершается за один оборот ротора. Производи­ тельность машины 1200 банок в смену. Мощность установки при к.п.д. магнитострикционных излучателей 50% составляет

30кВт.

На рис. 240, б представлена установка Одесского политехни­

ческого института. В зоне загрузки банки укрепляются в зажи­ ме на конвейере и последовательно проходят зоны: замочки, ультразвукового облучения, шприцевания и ополаскивания. Магнитострикционные излучатели производят обработку банки с двух сторон.

При шприцевании банки энергично промываются под давле­

Ультразвуковой метод был использован в качестве основы в конвейерной.установке для мойки троллей и разног на мясо­ комбинатах [31]. Собственно установка состоит из трех зон: замочка, ультразвуковой очистки и душевой обработки. Пере­ мещение троллей осуществляется конвейером. Ультразвуковые колебания генерируются с помощью магнитострикционных пре­ образователей ПМС, питаемых от генератора УЗГ-10У. В уста­ новке используются моющие средства.

Выходная мощность генератора установки 10 кВт, мощность генератора 18 кВт; частота колебаний 19 кГц; производитель­ ность установки 2400 троллей в смену.

Температурный режим обработки: температура в ванной для

Рис. 241. Механизированная линия для мойки фруктов с применением звуковых колебаний:

521

установок на предприятиях средней мощности составляет около 30 тыс руб.

Можно использовать ультразвук также для мойки исходного сырья [36]. На рис. 241 показана схема механизированной ли­ нии для мойки фруктов с использованием ультразвука. Элект­ ромагнитные вибраторы расположены в верхней части моечной ванны. Интенсификация процесса мойки дает положительный результат. ■

В Молдавском НИИ пищевой промышленности исследована мойка овощей и фруктов с использованием магнитострикционного преобразователя на частоте 21,3 кГц при интенсивности 3—5 Вт/см2 в воде при температуре 20° С. Установлено, что с помощью ультразвука можно хорошо отмыть сельскохозяйст­ венные культуры и фрукты от грязи и приставших посторонних предметов. Продолжительность мойки составляет для картофеля 5—10 с, моркови 30—40 с, петрушки 200—600 с. Мойка яблок с помощью ультразвука длится 1—2 с и требует домыва шпри­ цеванием. Чернослив отмывается с помощью ультразвука за 1,5—2 с (обычным способом — до 10 с). Следует заметить, что продукты, отмытые с помощью ультразвука, более благополуч­ ны в отношении бактериальной загрязненности, чем контроль­ ные.

Отмывание частиц крахмала с картофеля перед обжаркой улучшает качество хрустящего картофеля. Ультразвуковой ме­ тод в данном случае дал положительный результат [36].

Рис. 242. Схема установки для выработки хрустящего картофеля с приме­ нением ультразвука:

522

На рис. 242 приведена схема установки для приготовления хру­ стящего картофеля с использованием ультразвука.

Очищенный от кожуры и промытый картофель подают кон­ вейером на резку, где его разрезают на ломтики толщиной 1,05— 1,5 мм, которые затем поступают во вращающийся сетчатый барабан, погруженный в ванну с водой температурой 20° С.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют ультразвуковой жидкостный свисток, установленный в передней части ванны под уровнем воды. Свисток работает в режиме ин­ тенсивной кавитации и является достаточно сильным источником колебаний в диапазоне частот до 20 кГц.

Для усиления колебаний, излучаемых пластиной, ее помеща­ ют в цилиндрический резонатор. Резонатор имеет отверстия для вытекания воды в ванну. При вращении барабана и под дейст­ вием потока воды, прокачиваемой через свисток и ванну, лом­ тики картофеля непрерывно перемещаются и, направляясь к выходу из барабана, подвергаются воздействию ультразвуковых колебаний, интенсивно отмывающих крахмал с их поверхности. Дальнейший процесс не отличается от обычного.

ТЕПЛОВЫЕ И ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Колебательные возмущения среды ускоряют процесс тепло- и массообмена. Механизм воздействия акусти­ ческих колебаний в обоих процессах аналогичен. В основном он сводится к воздействию на ламинарно движущуюся жидкость и на пограничный слой при турбулентном движении. Под дей­ ствием колебаний ламинарный поток деформируется — проис­ ходит его турбулизация, что приводит к усилению теплообмена. Так, скорость теплоотдачи от колеблющегося по вертикальной оси цилиндра (/ = 40 Гц) к воде увеличивается в 41 раз при

При ламинарном режиме движения воздействие акустиче­ ских колебаний на теплообмен сказывается более явно. Это мож­ но объяснить тем, что колебания, во-первых, создают дополни­ тельное возмущение потока, и, во-вторых, способствуют образо­ ванию турбулентных пульсаций. У турбулентного потока стоя-

523

чие волны размываются, в результате чего воздействие колеба­ ний на теплоотдачу заметно меньше.

Зависимость теплоотдачи от частоты колебаний при постоян­

сельта в случае колебаний (Nu) и без них (Nil'). Больше всего теплоотдача изменилась в случае ламинарного режима Re = = 1440. Увеличение теплоотдачи наблюдается с ростом частоты.

Рис. 243. Влияние колебаний на теплоотдачу:

а — зависимость теплоотдачи от частоты колебаний среды; 6 — график Nu=/(Re, Рг).

Это связано с тем, что толщина пограничного слоя с увеличе­ нием частоты несколько уменьшается. В потоке же с развитой турбулентностью величина его мала, поэтому и действие коле­ баний проявляется слабее. Однако в маловязких жидкостях коэффициент теплоотдачи больше зависит от амплитуды, чем от частоты.

Так, при условиях, приведенных на графике (рис. 243, б), теплообмен описывается следующим критериальным уравнением:

С помощью графика (см. рис. 243, б) можно определить значе­ ния Nu, что позволяет легко найти а.

Вместе с тем следует учитывать, что не всегда вибрации улуч­ шают теплообмен; так, в случае кипения жидкости принуди­ тельные колебания ухудшают процесс теплоотдачи. Теплоотдачу концентрированных сахарных растворов (до 75%) и тростнико­ вых меласс (содержание сухих веществ до 84%) при наложении колебаний изучали на вибрирующих змеевиках из медных тру­ бок диаметром 3; 6 и 12 мм [72]. В диапазоне частот 250—2000

524

колебаний в минуту и амплитуд (2-=-6,5)10-3 м в результате обобщения экспериментальных данных получено критериальное уравнение вида:

Рг = 1,5-=-1,5 • 105 при средней скорости колебательного движе­ ния выше 0,125 м/с.

Содержание MaCl,

Рис. 244. Графики посола сельди при выдержке в тузлуке трое суток:

а — при озвучании в течение 2 ч; б — при озвучивании в течение 4 ч с двухчасовым перерывом; в — при озвучивании в течение 8 ч с двухчасовыми перерывами после каждого двухчасового озвучивания: / — контроль; 2 — обработка.

. ?

Процесс массообмена под действием вынужденных колебаний ускоряется в результате следующих факторов: перемешивания взаимодействующих фаз, образования циркуляционных токов внутри каждой фазы и устранения застойных зон вблизи поверх­ ности фазового контакта. Так как воздействие ультразвука со­ провождается термическим действием на продукт, то общий эффект интенсификации теплообмена складывается из воздейст­ вия механического и теплового факторов.

Применяя ультразвук, можно значительно интенсифициро­ вать диффузионные процессы. По данным А. С. Большакова, тузлукование шкур сокращается в 2—3 раза при одностороннем озвучивании. Одновременно с этим шкура очищается от загряз­ нений, подавляется микрофлора и извлекаются растворимые бел­ ки. Также возможна интенсификация посола рыбы с использо­ ванием ультразвука [94]. Обрабатывали сельдь с помощью магнитострикционных излучателей при интенсивности 0,6 Вт/см2. Эксперименты проводили на сельди длиной 30 см. Результаты опытов (рис. 244) указывают на интенсификацию процесса по­

525

сола. Аналогичный результат получен и при ускорении обратного процесса— отмочки сельди.

Увеличение сокоотдачи под действием ультразвука условно можно отнести к массообменным процессам. Исследованиями установлено, что под действием ультразвука повышается про­ ницаемость оболочек клеток, что облегчает процесс извлечения сока. Так, для винограда между выходом сока, высотой столба обрабатываемого продукта и длительностью ультразвуковой об­ работки существует эмпирическая зависимость [18]:

где Вт — выход сока при обработке мезги ультразвуком; Во— выход сока при обычном методе; Т — продолжительность процесса;

а— опытная величина, зависящая от сортовых особенностей вино­ града, интенсивности ультразвука, высоты столба продукта,

характера предварительного измельчения и последующего прессования.

Между выходом сока и удельным расходом акустической энергии существует соотношение:

где b — постоянная величина, определяемая экспериментально.

Высота слоя мезги влияет на выход сока:

С успехом применяется ускоренная технология производства виноградного сока, осветления его и удаления избытка винного камня. Технология с применением поточной ультразвуковой об­ работки включала отжим сока на прессе ПНД-5, грубую фильт­ рацию через мешковину, охлаждение до 3—4° С, обработку ультразвуком в потоке, отстаивание в танках в течение суток, декантацию, сепарирование на механических сепараторах, мгно­ венный подогрев до 95° С и охлаждение до 40° С, сепарирование на механических сепараторах, двойную фильтрацию на фильтр­ прессах «Прогресс», расфасовку в бутылки емкостью 3 л, стери­ лизацию в автоклавах.

При выработке сока по ускоренной технологии осветление сока хорошее, сок хорошо фильтруется и становится кристально

526

прозрачным [19]. Показатели процесса обработки виноградного сока при разной производительности аппарата, работающего на

Таким образом, непосредственно при озвучивании выпадает 6—10% винного камня и при последующем отстаивании— до­ полнительно 12—20% к исходному количеству.

Ультразвук резко интенсифицирует процесс кристаллизации в основном в результате увеличения центров кристаллизации.

Рис. 245. Кинетика кристаллизации винного камня:

Важным моментом является использование ультразвуковых колебаний в процессе сушки. Как известно, скорость испарения влаги в первый период определяется по уравнению Дальтона

где 117 — количество испаренной влаги, кг;

527

воздействие ультразвука приводит к турбулизации среды — на­ рушению пограничного слоя, а также периодическому созданию вакуума в фазе разрежения ультразвуковой волны. Все эти факторы приводят к ускорению процесса сушки [21, 87], кото­ рое в акустическом поле начинается с определенного уровня звукового давления, но не ниже 130 дБ [87]. Существует поня­ тие «критический уровень звукового давления», определяющее минимальное звуковое давление, при котором начинается ин­ тенсификация сушки.

Величину критического уровня звукового давления можно определить исходя из соображений, что интенсифицирующее действие начинается тогда, когда вынужденная сила звуковой волны превышает подъемную силу естественной конвекции [45]. На базе этих представлений получены уравнения для критиче­ ского уровня [87]:

для плоскости размером намного больше Х/2:

Особенностью пищевых продуктов является их чрезвычай­ ная чувствительность к температуре. Использование ультразву­ ка позволяет вести сушку при температурах значительно ниже тех, которые допустимы при более высокой скорости сушки.

Для ускорения акустической сушки используют метод нало­ жения на основное продольное акустическое поле поперечного ультразвукового потока. Аналогичный прием используют в обычной технике сушки: при движении воздуха перпендикуляр­ но поверхности испарения коэффициент массопередачи увеличи­ вается в 2 раза.

Толщина слоя материала влияет на скорость акустической сушки. Считается наиболее целесообразным слой толщиной 3— 6 см. Наиболее благоприятно акустическая сушка протекает

528

при движении частичек материала, особенно при сушке в «ки­ пящем» слое или при непрерывном перемешивании. На рис. 246 приводятся сравнительные экспериментальные данные по акус­ тической сушке желатина и кукурузы [87]. Как показывают результаты, заметно влияние положения образца в отношении пучности или узла звуковой волны.

Рис. 246. Влияние на акустическую сушку температуры воздуха и поло­ жения образца:

Хорошие результаты получены при акустической сушке [87] в барабанных сушилках сыпучих материалов (табл. 132).

Ультразвуковые сушилки имеют разнообразные конструк­ тивные формы. На рис. 247, а изображена схема ультразвуковой сушильной установки с вращающимся барабаном. Сырой ма­ териал поступает в бункер, из которого попадает во вращаю-

529