Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современное состояние производства пищевых порошков из растительного сырья. Монография
.pdf
3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПОРОШКОВ
ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
В России фруктовые и овощные порошки получают по двум
принципиально различным технологическим схемам.
Согласно первой схеме, поступившее в цех сырье, сортируют,
калибруют, моют, измельчают, разваривают, гомогенизируют, полученное пюре сушат, например на вальцевых или распылительных установках, измельчают в порошок и расфасовывают. Так как большинство плодовых и овощных порошков имеют высокую гигроскопичность, заключительные стадии технологического процесса (измельчение, расфасовка) следует проводить в помещении с кондиционированным по влажности воздухом. Относительная влажность воздуха в этом
помещении не должна быть выше 40 %. Порошок, полученный на
вальцевых сушилках, измельчают на обычных дробилках ударного
действия, на микромельницах с отсевом измельченного материала через сито № 19. Порошок, полученный в результате распылительной
сушки, измельчения не требует [17, 21, 22, 23, 24].
Сушка пюреобразного материала может осуществляться преимущественно кондуктивным (на вальцовых сушилках) или конвективным (на распылительных сушилках) способами.
При сушке фруктового или овощного пюре на вальцовых сушилках тепло к высушиваемому продукту подводится от горячей поверхности вальцев при непрерывном контакте ее с пленкой продукта.
Сушку на вальцовых сушилках ведут как при атмосферном давлении,
так и под вакуумом.
При сушке под вакуумом длительность процесса сокращается в
связи с понижением температуры испарения влаги и лучшей эвакуацией парогазовой смеси из зоны сушки [24].
Некоторые виды сухих порошков, особенно с высоким содержанием сахара, обладают повышенной термопластичностью, трудно отделяются от вальцов и сильно комкуются. Поэтому перед удалением
такого продукта с вальцов его обдувают холодным воздухом; продукт
охлаждается, наступает кристаллизация сахаров, адгезионные свойства продукта ослабевают, и он легко сходит с вальцов.
Конструктивные усовершенствования вальцовых сушилок направлены на создание возможности охлаждения продукта еще до снятия с вальцов и последующей досушки его осушенным воздухом.
31
При сушке распылением пюреобразные продукты диспергируют
на капли небольших размеров (5–500 мкм), что значительно увеличивает поверхность испарения и вследствие этого интенсивность сушки.
При этом способе длительность процесса сушки и пребывания продукта в аппарате незначительна и составляет 5–30 с.
Кроме того, большую часть этого времени температура частиц
остается примерно равной температуре мокрого термометра (ниже
373 К) даже при повышенных температурах воздуха (423–573 К).
В результате сводится к минимуму вероятность разрушения биологически активных веществ в продукте при сушке. В распылительных
сушилках можно регулировать качественные показатели порошка (величину частиц, объемную массу, конечную влажность и температуру).
Начальная влажность продукта находится в пределах 91–94 %, а конечная – 2–5 %.
Работа распылительных сушилок относительно легко автоматизируется, поэтому они не требуют многочисленного обслуживающего
персонала. Однако распылительные сушилки имеют и существенные
недостатки, которые ограничивают область их применения. Так, значительны габаритные размеры установок, работающих при мягких режимах (373–423 К). Огромное количество воздуха, с которым соприкасается высушенный продукт, способствует в некоторых случаях
окислению кислородом воздуха легкоокисляющихся компонентов,
например некоторых полифенольных соединений.
Кроме того, теплота, поступающая в сушилку с воздухом, используется недостаточно полно, выходящий из сушилки отработавший
воздух имеет температуру 378–388 К. На испарение 1 кг влаги в распылительных сушилках затрачивается 3,2–3,5 кг пара, в то время как в
вальцовых сушилках 1,1–1,4 кг.
Овощи и фрукты, как известно, содержат большое количество
углеводов, в основном моно- и дисахара. При сушке они становятся
термопластичными за счет аморфного состояния. Продукт комкуется,
налипает на стенки сушильной камеры и набирает влагу. Для устранения этого недостатка его охлаждают до 293–295 К холодным воздухом
с низкой относительной влажностью (9–20 %). При этом сахара кристаллизуются и продукт теряет термопластичность [25, 26].
Желание избавиться от недостатков распылительных установок
и сохранить как наиболее целесообразный сам принцип такой сушки
приводит к созданию различных комбинированных сушильных уст-
32
ройств. Однако часто это ведет к увеличению металло- и энергоемкости таких агрегатов.
Обезвоживание овощных, плодовых и ягодных соков и пюре с
целью получения порошков из них эффективно осуществляется методами кратерной сушки, пеносушки и сублимации. Органолептические
показатели восстановленных готовых продуктов, полученных этими
методами, очень высоки.
При реализации второй схемы фруктовые и овощные порошки
получают методом прямой сушки: нарезанное на кусочки сырье сушат
на различных типах сушилок, а затем дробят в порошок [23].
Для современных методов сушки характерна значительная интенсивность тепло- и массообмена, достигаемая различными путями:
увеличением поверхности контакта между высушиваемым продуктом
и сушильным агентом; снижением относительной влажности сушильного агента; повышением относительной скорости перемешивания
контактирующих фаз; применением комбинированного энергоподвода; сочетанием процесса сушки с другими технологическими процессами (замораживанием, пропариванием, взрыванием, диспергированием, вспениванием и др.) [1, 3, 27, 28].
При этом процессе в обрабатываемом продукте протекает целый
комплекс массообменных, химических и биохимических изменений,
которые позволяют получить продукт с определенными свойствами.
Поэтому используемый метод термообработки сырья должен отвечать
ряду требований: содержание витаминов в конечном продукте должно
сохраниться на уровне, сопоставимом с содержанием витаминов в
свежих плодах и ягодах, продукт должен обладать высокими питательными, вкусовыми и восстановительными свойствами. И данный
метод должен отвечать малым затратам энергоресурсов [29].
Для выбора и анализа способов сушки разработана классификация способов сушки, которая представлена на рис. 1 [30, 31]. Лишь
некоторые, из представленных на схеме способов, получили наибольшее распространение. Для них была составлена сравнительная характеристика, которая представлена в табл. 5–6 [3, 32, 33, 34].
Самый простой и старый способ сушки – естественная сушка,
которая в странах с подходящими климатическими условиями применяется главным образом для сушки фруктов и в наше время. Сырые
продукты, разложенные тонким слоем на открытом воздухе, высыхают до состояния равновесной влажности [35].
33
Преимущество этого способа состоит в том, что он не требует
СПОСОБЫ СУШКИ
Кондуктивная
сушка
СВЧ сушка
Конвективная
сушка
Естественная
сушка
Инфракрасная
сушка
Сушка с
предварительным
замораживанием
Комбинированная
сушка
Вакуумная
сушка
«Взрывная» сушка
Сублимационная
сушка
Искусственная
сушка
капитальных вложений, а использует энергию солнечных лучей.
Недостаток его заключается в том, что такая сушка зависит от капризов погоды.
В противоположность естественной искусственную сушку
проводят в сушильных установках, которые обычно устанавливают
в закрытых помещениях и снабжают необходимыми источниками
энергии.
Рис. 1. Классификация способов сушки
Сущность конвективного способа состоит в том, что в качестве
тепло-, влагоносителя и влагопоглотителя используется нагретый воздух. Используется несколько вариантов конвективной сушки в зависимости от скорости и характера движения нагретого воздуха (сушильного агента) относительно высушиваемого сырья. В качестве сушильного агента применяются нагретый воздух, топочные газы или
перегретый пар. Сушильный агент передает материалу теплоту, под
действием которой из материала удаляется влага в виде пара, поступающая в окружающую среду.
Конвективный способ сушки отличается простотой и возможностью регулирования температуры материала. Недостатком его являет-
34
ся противоположное направление градиентов влагосодержания и температуры. Другим недостатком конвективного способа сушки являются относительно небольшие величины коэффициента теплоотдачи от
сушильного агента к поверхности материала.
В процессе конвективной сушки важную роль играет тепло- и
массообмен между сушильным агентом и высушиваемым материалом,
а также перенос тепла и влаги внутри материала. Процесс сушки интенсифицируется при уменьшении диффузионных и термических сопротивлений у границы раздела фаз; это может быть достигнуто при
непрерывном обновлении поверхности твердого материала, контактирующей с газовой средой. Возможности интенсификации конвективной сушки связаны либо с увеличением теплообмена между материалом и сушильным агентом путем повышения скорости и температуры
сушильного агента, либо с уменьшением размера частиц.
Кондуктивный (контактный) способ сушки материалов основан
на передаче теплоты материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух при этом способе служит только для удаления
водяного пара из сушилки, являясь влагопоглотителем.
Температура в различных слоях неодинакова: наибольшая – у
слоя контактирующего с греющей поверхностью, наименьшая – у наружного слоя. Влагосодержание в процессе контактной сушки постепенно увеличивается от слоев, соприкасающихся с нагретой поверхностью, к наружным слоям. Таким образом, скорость контактной сушки
определяется только градиентом температуры, градиент влагосодержания оказывает тормозящее действие на перемещение влаги к поверхности материала. Градиенты влагосодержания и температуры
совпадают только в слоях вблизи открытой поверхности материала,
ускоряя перенос влаги.
Горячая поверхность чаще всего обогревается водяным паром
температурой выше 100 °С, поэтому контактирующие слои материала
могут достичь этой температуры, в результате чего качество продукта
ухудшится. Обязательное условие при этом способе сушки – хороший
контакт материала с горячей поверхностью.
При различном способе сушки подвод тепла осуществляется путем облучения высушиваемого сырья инфракрасными лучами, что
значительно ускоряет процесс сушки. Однако из-за высокого расхода
электроэнергии и неравномерности сушки этот метод применяется
довольно редко, в основном в комбинации с конвективным и сублимационным способами.
35
Скорость сушки инфракрасными лучами увеличивается по сравнению с конвективной, но не пропорционально росту теплового потока. Это можно объяснить тем, что скорость сушки зависит не столько
от скорости передачи тепла, сколько от скорости перемещения влаги
внутри материала.
Для интенсификации терморадиационной сушки необходимо,
чтобы инфракрасные лучи проникали в материал на возможно большую глубину. Это зависит как от пропускной способности материала,
так и от длины волны инфракрасных лучей. Чем длина меньше, тем
выше проникающая способность инфракрасных лучей. Проницаемость
пищевых растительных материалов увеличивается с уменьшением
толщины слоя и с понижением влажности материала.
При сушке инфракрасными лучами возникают перепады температур, под действием которых влага перемещается по направлению
теплового потока внутрь материала. Кроме того, она частично испаряется с поверхности, в результате чего происходит возрастание градиента влагосодержания и, величина которого превышает Т, и влага
начинает перемещаться к наружной поверхности. Таким образом, градиент температуры Т оказывает тормозящее действие на перемещение влаги.
По характеру излучателей инфракрасных лучей различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Сушилки с электрическим обогревом компактны, просты в обращении и
эксплуатации, безынерционны. Однако высокий расход электроэнергии и неравномерность сушки ограничивают их применение.
Традиционные сушилки с газовыми панельными излучателями
более экономичны и обеспечивают более равномерную сушку, чем
сушилки с электрообогревом.
Сушка токами высокой частоты и сверхвысокой частоты основана на том, что диэлектрические свойства воды и сухих веществ
пищевых продуктов различаются; влажный материал нагревается значительно быстрее, чем сухой. В процессе сушки с применением токов
высокой и сверхвысокой частоты температура более влажных внутренних слоев выше, чем наружных, более обезвоженных.
При сушке органический материал помещают между обкладками конденсатора, к которым подается ток высокой частоты. Обкладки
имеют противоположные заряды, причем эти заряды меняются. Электроны и ионы изменяют направление движения, в результате возникает трение с выделением теплоты. Диполи несимметричной формы
36
приходят в колебания. При этом возникает молекулярное трение и вы-
Т
деляется теплота. Для полярных молекул, состоящих и упругих диполей, кроме изменения ориентации, возможны и смешения одних молекул относительно других. Возникающий при этом эффект деформации
также сопровождается выделением тепла за счет трения. Энергия
электромагнитных волн, затрачиваемая на продолжение этих трений,
переходит в теплоту.
Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходит регулируемый нагрев материала. Вследствие испарения влаги, тепломассообмена с окружающей средой поверхностные
слои материала сильнее обезвоживаются и больше отдают теплоты,
чем при кондуктивном и конвективном способах сушки. В связи с
этим температура и влажность внутри материала выше, чем снаружи.
Возникают градиенты влагосодержания и и температуры
действием которых влага изнутри перемещается к поверхности.
При этом в отличие от конвективной сушки направление обоих градиентов совпадает, что интенсифицирует процесс сушки.
При сушке токами высокой и сверхвысокой частоты испарение
происходит во всем объеме тела и внутри частицы возникает градиент
давления р, ускоряющий перенос влаги. Изменяя напряженность
поля, можно плавно регулировать температуру материала при сушке.
Преимуществами сушки токами высокой и сверхвысокой частоты по сравнению с конвективной и контактной сушкой являются возможность регулирования и поддержания определенной температуры
материала и значительная интенсификация процесса обезвоживания,
улучшение качества сушеных продуктов.
В последние годы сушка токами высокой частоты практически
не применяется в промышленности из-за низких КПД ламповых и машинных генераторов, больших затрат электроэнергии. Все большее
распространение в сушильной технике получает применение токов
сверхвысокой частоты.
Все большее развитие получает сушка пищевых продуктов в замороженном состоянии в условиях глубокого вакуума. При сублима-
ционной сушке продукт обезвоживается в замороженном состоянии в
условиях глубокого вакуума, что обеспечивает наиболее высокую сохранность цвета, вкуса, аромата и других свойств. При сублимационной сушке отсутствует контакт материала с кислородом воздуха. Основное количество влаги (75–90 %) удаляется при сублимации льда
, под
37
при температуре продукта ниже 0 С, и только удаление остаточной
влаги происходит при нагреве материала до 40–60 С.
Первой технологической операцией является замораживание материала. Применяют либо быстрое предварительное замораживание в
морозильных камерах, либо самозамораживание (пастообразных материалов и некоторых видов фруктов и овощей) в сублиматоре.
В процессе самозамораживания из материала испаряется 10–
15 % всей влаги за счет выделения теплоты плавления льда при замерзании воды. Образование кристаллов льда происходит постепенно путем углубления зоны кристаллизации. Окончание самозамораживания
определяют конкретно для каждого вида материала при достижении
температуры в середине частицы от −5 до −20 С. Продолжительность
самозамораживания 10–15 мин. При повышении длительности этого
процесса возможно образование слишком крупных кристаллов льда,
которые могут разрушить клетки ткани и ухудшить качество продукта.
Предварительное замораживание проводят для жидких продуктов во избежание их вспенивания, а также для ряда кусковых материалов во избежание образования плотной корки, замедляющей последующую сушку. Замораживание ведут при температуре на несколько
градусов ниже температуры сублимации, чтобы исключить оттаивание
во время загрузки материала в сублиматор и при создании разрежения.
Второй период (сублимация) характеризуется постоянной скоростью сушки материала. В это время удаляется основная масса влаги
(до 60 % и более), происходит сублимация льда путем постепенного
углубления зоны испарения. Чем больше влаги удаляется в этот период, тем лучше сохраняются свойства сырья.
В периоде сублимации появляется температурный градиент по
толщине материала. По мере сублимации льда, когда из него удалилась влага, вначале повышается температура поверхностного слоя,
затем происходит повышение температуры последующих слоев. После
испарения всего льда температура материала повышается, становится
выше нуля, приближаясь к температуре окружающей среды.
Продолжительность периода постоянной скорости сушки зависит от величины остаточного давления в сублиматоре, интенсивности
подвода тепла, температуры материала и поверхности конденсации,
скорости удаления паровоздушной смеси. Интенсивность сушки в
этом периоде приблизительно равна интенсивности испарения.
Третий период удаления остаточной влаги характеризуется падающей скоростью сушки. К началу этого времени в основном закан-
38
чивается сублимация льда и температура материала становится положительной. В этот период удаляется связанная влага, не замерзшая в
материале.
Скорость сушки зависит от интенсивности подвода тепла в углубленную зону испарения и удаления пара и зоны испарения через
высохшие слои к поверхности материала. На интенсивность испарения
влияют структура, пористость высушенного материала, форма, размер
и толщина частиц и др. Скорость сушки постепенно снижается, а температура материала увеличивается до температуры окружающей среды. В этот период удаляется 10–20 % всей влаги.
Температура поверхности конденсаторов должна быть на 10–
15 С ниже температуры замораживания материалов, чтобы обеспечить достаточную разность давлений для быстрого удаления сублимированного пара.
В качестве теплоносителей при сублимационной сушке продуктов применяют глицерин, трихлорэтилен, этиленгликоль.
Сублимированные продукты хорошо хранятся, отличаются высоким качеством, сохраняют питательные вещества, обладают повышенной восстанавливающей способностью, имеют незначительную
усадку, сохраняют цвет, имеют пористое строение. С точки зрения сохранения качества, сублимационная сушка является наиболее совершенной из всех существующих способов. Использование данного способа требует специального оборудования, поэтому возможно лишь на
крупных предприятиях. Кроме того, из всех существующих способов
сушки сублимационная наиболее сложна и энергоемка.
Применяют также вакуумную сушку. Вакуумирование позволяет
исключить перегрев материала и проводить процесс сушки в «мягком»
температурном режиме, обеспечивая сохранение всех качеств исходного сырья. Это происходит из-за снижения температуры воды при
пониженном давлении. Вместе с тем это делает возможным увеличение тепловой нагрузки, что также ведет к сокращению времени сушки.
Вакуумированием можно влиять на градиент концентрации влаги в
течение всего процесса сушки. Отсос паров испарившейся влаги приводит к уменьшению концентрации влаги в окружающем материал
пространстве, т. е. изменению парциального давления.
Уменьшение давления резко увеличивает интенсивность испарения за счет повышения коэффициента массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению. Так как вакуумная сушка происходит в герметически закрытом аппарате, то пере-
39
дача тепла конвекцией отсутствует. Поэтому, чтобы поддержать зна-
Наименова-
ние показателей
Способы сушки
ИК лу-
чами
конвективный
сублимационный
токами
СВЧ
Время сушки, ч
до 4
8–10
10–20
до 4
Удельная занимаемая
площадь по испаряемой
влаге, м2/кг
0,04
0,07
0,26
0,18
Восстанавливаемость, %
85–95
60–70
85–95
85–95
Достигаемая остаточная
влажность, %
3,0–4,0
8,0
3,5
2,5–4,0
Экологическая безопасность производства
безопасен
безопасен
опасен
(хладоны)
опасен
(СВЧ)
Способность к хранению
более 1
года
0,3–0,5
года
более 1
года
более 1
года
чительную интенсивность сушки в вакууме, тепло, необходимое для
испарения жидкости, подводится к высушиваемому материалу путем
теплопроводности от нагретой поверхности. Таким образом, вакуумная сушка по способу подвода тепла к материалу является контакт-
ной сушкой.
Сравнительная характеристика различных способов сушки в зависимости от различных критериев представлена в табл. 8, 9.
Таблица 8
Сравнительная характеристика различных способов сушки
Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся:
время сушки, агрегатное состояние, допускаемая температура нагрева,
взрыво- и пожароопасность, токсичность, усадка, загрязнение и другие
свойства высушиваемого материала; требования к равномерности
сушки; требования к системе пылеулавливания и т. д. Все устройства
сушки растительной продукции можно разделить на две большие
группы: вакуумные и атмосферные сушилки. В сушилках первого типа
вакуум создается и поддерживается воздушными насосами. Ко второму типу сушилок относится все сушильное оборудование, сушильным
агентом в котором является атмосферный воздух с отклонением давления в сушильной камере от атмосферного не выше 500 кгс/м2. Можно также упомянуть о сушилках, работающих при избыточном и периодически изменяющемся давлении, однако их значение не так велико.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]