ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФРАКРАСНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ КОКОНОВ ТУТОВОГО ШЕЛКОПРЯДА

АННОТАЦИЯ

Для сушки коконов тутового шелкопряда использовались два метода: инфракрасная сушка и инфракрасно-ультразвуковая сушка. Было подробно исследовано и обсуждено влияние основных параметров (мощность ультразвука, мощность инфракрасного излучения, температура и время сушки) на кинетику сушки, энергопотребление и изменение качества. Результаты показали, что процесс сушки коконов контролируется периодом падения скорости. При инфракрасной сушке скорость сушки увеличивалась с повышением температуры и уменьшением размера образца, в то время как мощность инфракрасного излучения не оказывала явного влияния на процесс сушки. Ультразвуковая технология показала свой наибольший потенциал в увеличении скорости сушки на ранней стадии сушки, а увеличение мощности ультразвука было более эффективным, чем увеличение времени обработки, для стимулирования инфракрасной сушки.

ABSTRACT

Two methods were used for drying mulberry silkworm cocoons: infrared drying and infrared-ultrasonic drying. The effects of the main parameters (ultrasonic power, infrared power, temperature and drying time) on drying kinetics, energy consumption and quality variation were investigated and discussed in detail. The results showed that the drying process of cocoons is controlled by the period of velocity drop. In infrared drying, the drying rate increased with increasing temperature and decreasing sample size, while infrared radiation power had no obvious effect on the drying process. Ultrasonic technology showed its greatest potential in increasing the drying rate early in the drying process, and increasing the ultrasonic power was more effective than increasing the processing time for inducing infrared drying.

Ключевые слова: инфракрасное излучения, ультразвук, мощность, температура, влажность, кокон.

Keywords: infrared, ultrasound, power, temperature, humidity, cocoon.

Введение. Реализация усовершенствованных высокоэффективных конструкций установок решает ряд научно-технических задач на коконоперерабатывающих предприятиях. В таких развитых странах, как Китай, Индия, Япония, Турция, Корея в шелководстве для сушки коконов тутового шелкопряда получение качественной продукции путем усовершенствования технических средств и технологий играет важнейшую роль. В связи с этим техническое обеспечение технологических процессов имеет большое значение. С этой точки зрения во всем мире ученые работают над разнообразными сушилками, оснащенными инфракрасным обогревом. Основным преимуществом процесса сушки коконов инфракрасными лучами является более высокая скорость удаления влаги по сравнению с другими способами сушки [1].

В то же время ряд ученых ТашГТУ имеют опыт использования инфракрасной ультразвуковой сушки коконов тутового шелкопряда для сохранения качества конечного продукта. Температура в наших сушилках не превышает 60...70 градусов, при этом уничтожаются черви в коконах, что позволяет сохранить качество продукта и продлить срок годности. Главным достоинством процесса морки и сушки коконов инфракрасными лучами является более высокая скорость удаления влаги в сравнении с действующими техниками и технологиями переработки. Такое преимущество обеспечивается действием потока излучаемой тепловой энергии, которая проникает на некоторую глубину в капиллярно-пористые продукты (около 0,1…2,0 мм) [2].

Материалы и методы. В эксперименте использовали коконы Bombyx mori. Свежие коконы хранились в холодильной камере при температуре 4,0±0,5 °C. Перед сушкой коконы вынимали и помещали при комнатной температуре примерно на 15 мин. Затем образцы раскладывали в один слой на подносах из нержавеющей стали и помещали в экспериментальную установку для сушки. Для измерения веса использовались электронные весы, значение записывалось каждые 30 мин. Потребление энергии в процессе сушки измерялось электросчетчиком. Сушка продолжалась до тех пор, пока содержание влаги в коконах не стало ниже 10-12%.

В эксперименте использовались следующие приборы: “Азия” - длинноволновая лабораторная инфракрасная сушильная установка, имеющаяся в лаборатории Ташкентского государственного технического университета, с мощностью 750 Вт, встроенными тремя инфракрасными излучателями по 250 Вт [2] и разработанная инфракрасная ультразвуковая сушильная установка с частотой ультразвука 50 Гц и мощностью инфракрасного излучения 1000 Вт. Диапазон температур для обоих экспериментов составлял 60 °C, 65 °C и 70 °C, время ультразвукового воздействия устанавливалось на 10 секунд [3].

Мгновенное содержание влаги рассчитывали следующим образом:

                                             (1)

где  – мгновенное содержание влаги в пересчете на сухое вещество;  – мгновенная масса;  – сухой вес. Сухую массу получали путем сушки c помощью анализатора влажности модели МВ 200 при температуре 102 °С до тех пор, пока изменение массы не превышало 0,1 г.

Мгновенное содержание влаги в пересчете на сырую основу рассчитывали следующим образом:

                                            (2)

где  – содержание влаги в пересчете на сырую основу;  – исходная масса. Начальное содержание влаги в коконе составляло 76±0,05% от массы.

Скорость сушки DR рассчитывали следующим образом:

                                                  (3)

где  – интервал времени.

Экспериментальные данные были обработаны с помощью Excel 2019. Статистический анализ результатов проводился с использованием статистики Statistics 21 и среднего сравнения Waller-Duncan при p<0,05 с помощью программного обеспечения Comsol Multyphiscs 5.5 [4].

Результат и обсуждение. Сушка коконов тутового шелкопряда в инфракрасной установке. На рис. 1 и 2 показано влияние температуры на характеристики сушки коконов при температурах 60, 65, 70 °С, а время сушки составило 15, 12, 10 мин соответственно.

С повышением температуры время сушки сокращалось, а скорость сушки увеличивалась. Время сушки при 70 °С было на намного короче, чем при 60 °С. Максимальные скорости сушки при 70 °С указывает на то, что скорость сушки увеличивалась в 0,5 раза при повышении температуры на 10 °С.

Сушка коконов тутового шелкопряда в инфракрасной ультразвуковой установке. На рис. 3 и 4 показано влияние различного времени на характеристики сушки коконов при мощности ультразвука 50 Гц в инфракрасной ультразвуковой установке и мощности инфракрасного излучения 1000 Вт при температурах сушки 60, 65 и 70 °С, а время сушки составило 9, 7, 5 мин соответственно

Скорость сушки, представленная на рис. 4, показывает, что процесс сушки имеет тенденцию к снижению. Когда время действия ультразвука периодично каждый 5 секунд, скорость сушки сначала была выше, а затем медленнее, чем в контрольной группе. Это может быть связано с тем, что из коконов сначала мигрировала свободная вода, а затем связанная вода. При сушки клеточная ткань коконов слегка расширялась, в результате чего свободная вода в клетках выходила легче и быстрее через расширенный канал, чем в контрольной группе на ранней стадии сушки [5].

Однако, когда содержание влаги в переработанных образцах снижалось до низкого значения, оставшейся воде с низкой степенью свободы было трудно мигрировать наружу. Таким образом, скорость сушки замедлялась на более поздней стадии сушки [6].

Заключение. Инфракрасное излучение позволяет передавать тепло напрямую внутрь материала, что ускоряет процесс испарения влаги. Ультразвуковые волны, в свою очередь, способствуют более равномерному распределению тепла и повышению скорости испарения влаги. Комбинация этих двух методов позволяет достичь более быстрой и эффективной сушки, снижая при этом энергозатраты. Это объясняется тем, что ультразвуковые волны могут влиять на микроструктуру коконов тутового шелкопряда. Оптимальными условиями для сушки коконов тутового шелкопряда являются: температура сушки 70 °С, мощность ультразвука 50 Гц, время сушки в среднем 5 минут, что приводит к экономии электроэнергии и высокому качеству конечного продукта.

Список литературы:

1. Xu B. et al. Multi-frequency power ultrasound as a novel approach improves intermediate-wave infrared drying process and quality attributes of pineapple slices, Ultrason. Sonochem. 2022. 88, 106083.
2. Sultanova Sh.A., Safarov J.E., Usenov A.B., Samandarov D.I. Study of the design of ultrasonic electronic generators. Technical science and innovation. №3/2021. P. 216-223.
3. Самандаров Д.И., Султанова Ш.А., Сафаров Ж.Э. Исследования комбинированной сушки коконов тутового шелкопряда. Universum: технические науки. Москва, 2024. №1(118), часть 3. С.10-14.
4. Yuan L., He X., Lin R., Cheng S. Effects of ultrasound pretreatment on water state and hot-air drying characteristics of kiwifruit, Chinese Journal of Agricultural Engineering. 2021. 37. P. 263–272.
5. Huang X., Li W., Wang Y., Wan F. Drying characteristics and quality of Stevia rebaudiana leaves by far-infrared radiation, LWT. 2021. 140, 110638.
6. Zulponov Sh.U., Samandarov D.I., Sultanova Sh.A., Safarov J.E. Research of optimum calculation of vibrating infrared dryers. E3S Web of Conferences, 401, 05061. 2023. doi: 10.1051/e3sconf/202340105061.