ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ПРИ СУШКЕ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

Сушка термолабильных пищевых продуктов при минимальных температурах с максимальным сохранением нативных биокомпонентов является актуальной задачей. Достижение этой цели обеспечивается сушкой этих материалов под вакуумом и с применением инфракрасных (ИК) и ультразвуковых излучателей (УЗ) в качестве интенсификаторов. В данной работе проводятся результаты исследований электрических и физических методов обработки термолабильных продуктов, их преимущества и недостатки. Исследована перспективность комбинированного ИК-УЗ излучения под вакуум в процессе сушке термолабильного продукта. Обобщен механизм воздействия ИК и ультразвука. Исследовано управление комбинированной сушки на основе нечеткой логики.

ABSTRACT

Drying thermolabile food products at minimum temperatures with maximum preservation of native biocomponents is an urgent task. The achievement of this goal is ensured by drying these materials under vacuum and using infrared (IR) and ultrasonic emitters (ultrasonic) as intensifiers. This paper presents the results of research on electrical and physical methods of processing thermolabile products, their advantages and disadvantages. The prospects of combined IR-ultrasonic radiation under vacuum in the process of drying a thermolabile product are investigated. The mechanism of action of IR and ultrasound is generalized. The control of combined drying based on fuzzy logic is investigated.

Ключевые слова: ИК облучение, ультразвуковая обработка, эффективность сушки, термолабильное вещество, сушка термолабильного материала, нечеткая логика.

Keywords: IR irradiation, ultrasonic treatment, drying efficiency, thermolabile substance, drying of thermolabile material, fuzzy logic

Введение. Разработка технологии комбинированным энергоподводом, обеспечивающая сохранность нативных свойств биообъектов, было и остается важнейшей задачей перерабатывающих отраслей пищевой промышленности. Значимым примером является вопросы обеспечения сохранности полезных термолабильных биокомпонентов продуктов растительного происхождения, а также лечебных и медицинских препаратов на основе термолабильного сырья. А в свою очередь общим свойством биологических объектов является довольно высокое содержание воды, термолабильность их полезных компонентов. Для полноценного сохранения этих веществ материала, подвергаемого сушке целесообразно проведение этого процесса при низких температурах и в максимально короткое промежутке времени. Исходя из вышеизложенного, авторами формирована цель и основные стратегическое направления исследования и совершенствования процесса сушки термолабильных материалов. Наибольшее практическое использование в промышленных масштабах получила сушка. При сушке термолабильных веществ необходимо максимально снизать температуру и продолжительность сушки. Характеристика термолабильных материалов заключает в том, что их качество в результате сушки будет тем выше, чем ниже температура процесса и меньше его продолжительность [1, с. 13-17, 2, с. 91-93]. Исходя из вышесказанных сформулирована следующая цель исследования - повышение эффективности сушки термолабильных материалов. Для достижения цели разработана задача исследования – выявление и исследование преимуществ применения вакуума, ИК и УЗ излучений в качестве интенсификаторов процесса сушки термолабильных материалов.

Материалы и методы. Развитие техники позволило создать эффективные технологии удаления влаги при пониженных давлениях. Вакуумная сушка получила большое распространение в пищевой промышленности в развитых странах, которые в большом объеме экспортируют овощи и фрукты.

Качественно сушёные овощи и фрукты, сельхоз продукты востребованы при производстве быстрорастворимых фруктовых соков, различных соусов, кофе, чая, экстрактов растений. Качество высушенных в вакууме продуктов сопоставимо с качеством продуктов сублимированных, а удельные затраты на удаление влаги ниже, оборудование для реализации процесса более простое.

Для совершенствования сушки термолабильных продуктов на основе снижения температуры и его продолжительности имеется широкий спектр электрических и физических методов и средств воздействия. Они имеют как преимущества, так и недостатки. В качестве традиционных вариантов можно привести: воздействие на технологические параметры объекта, ИК и УЗ а также химическое воздействие и т.д. Однако перспективным является более инновационный способ: периодическая обработка механическими колебаниями, в частности в ультразвуковом (УЗ) диапазоне частоты и ИК воздействия под вакуумом. Эта комбинация перспективных способов интенсификации процесса сушки способствуют взаимному ускорению их действий [3, с. 49-55, 4, с. 56-59, 5, с. 320-331, 6, с. 80-87, 7].

При традиционном энергоподводе температура термолабильного материала может повыситься свыше 60 °С, что крайне негативно повлияет на количество нативных компонентов. Сушку термолабильных материалов, к которым относятся пищевые, а также сельхоз продукты, рекомендуют проводить не традиционными, а комбинированными методами энергоподвода. Это в свою очередь способствует предотвращению повышения температуры обрабатываемого материала и сохранению их биологически полезных компонентов. Для термолабильных материалов целесообразно использовать вакуум в сушильной камере. При этом эксперименты в вакуумной камере основное тепло передавалась термолабильному материалу радиацией (ИК). Эксперименты показали, что подача тепла конвективным способом весьма сложно, а также организация движения теплоносителя затруднительна. По результатам экспериментов было решено организация подвода энергии посредством ИК лучей и интенсификация диффузии влаги УЗ излучением, при этом поддерживался вакуум. Была организована сушка термолабильного материала в герметичной, теплоизолированной камере. Для повышения энерго-эффективности в начальных периодах сушки поддерживался умеренный вакуум. Этот вакуум обеспечивал отвод образовавшегося в процессе сушки влаги без особого усилия. Поочередная подача ИК и УЗ излучений осуществлялась по достижении определенной остаточной влажности материала и требуемого остаточного давления в вакуумной камере. При проведении экспериментов по мере снижения влажности материала и уменьшения скорости сушки было проведено углубление вакуума, с целью ускорения передвижения влаги из углубленных слоев к пограничным слоям, т.е.  увеличения скорости сушки материала. Применение УЗ и ИК излучений в комбинации с вакуумом на течение процесса сушки, особенно на процесс сушки термолабильных материалов показывает ряд показатели предпочтительности и перспективности этого комбинационного метода перед другими способами проведения процесса сушки.

Особенность вакуумной сушки заключается в поддержании постоянного вакуума в сушильной камере, как интенсификатора движения влаги, при ступенчатой подаче влияющих на процесс обезвоживания факторов. Так, ступенчатый способ подвода ИК и УЗ излучений при близких к конечной влажности материала, когда удаление влаги происходит все медленнее и энергоемки. Импульсный способ подвода ИК и УЗ излучений при неизменяющемся остаточном давлении в сушильной камере (при этом процесс сушки складывается из чередующихся стадий прогрева ИК лучами и отлежки, а также УЗ облучением, при постоянном давлении в камере). Процесс вакуумной сушки термолабильных материалов условно поделили на два периода: первый период - период постоянной скорости сушки, когда за одинаковый интервал времени удаляется одинаковое количество влаги. До выхода установки из режима постоянной скорости подача ИК излучения не осуществлялась, остаточное давление за счет работы вакуума поддерживалось постоянной, температура поверхностных слоев продукта незначительно снижается за счет самоиспарения. А градиент температуры и градиент влагосодержания совпадают друг с другом по направлению, что ускоряет процесс вакуумной сушки.

В конце первого периода возможно кратковременное включение излучателей. За счёт того, что процесс происходит при пониженном давлении, подача теплоносителя приводит к интенсивному удалению влаги по всему объему материала. Разность температур поверхностных и внутренних слоев является потенциалом переноса теплоты в толщу продукта за счет теплопроводности. Второй период - это период падающей скорости сушки, в этом периоде в каждом следующем промежутке времени за одинаковый период удаляется меньшее количество влаги.

Динамика процесса УЗ-ИК-вакуумной сушки базируется на общих законах равновесия жидкости и пара. Понижение парциального давления пара над поверхностью высушиваемого материала за счёт вакуума, смещает равновесие системы в сторону интенсификации испарения влаги с поверхности и передвижения влаги из внутренних слоев на поверхность, что является интенсифицирующим фактором этого процесса.

Корректное использование технологий УЗ обработки позволит целенаправленно и грамотно решать широкий круг задач, направленных на экономию энергии и ресурсов [8, с. 8-17, 9, с. 2858-2863, 10, с. 430-437]. Отличительной особенностью УЗ, от обычных механических колебаний является то, что он обладает более короткими длинами волн, (имеют колебания с частотой 20 кГц и выше.) Особой характеристикой УЗ является простата их фокусирования и соответственно возможность получения более узкого и направленного излучения. Это даёт возможность сосредоточивать энергию УЗ в требуемом направлении и концентрировать ее в небольшом объеме. Основные свойства УЗ лучей во многом сходны свойствами и закономерностями описания световых лучей. В отличии от световых лучей преимущество УЗ лучей заключается в возможности распространения их таких средах, где световые лучи не имеют возможность глубокого проникновения в среду обработки. Это расширяет круг возможности использования УЗ лучей для обработки оптически непрозрачных сред. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность УЗ, обычно используются высокочастотные колебания создаются с помощью пьезокерамического преобразователя.

Солнечные регионы обладают множеством полезных здоровью пищевого сырья и лекарственных растений, плодов и овощей. В качестве объекта исследования выбран лекарственный плод – шиповник, который широко применяется в лечении и профилактики заболеваний. Он богат микронутриентами, препятствующими различных заболеваний, а также применяется для лечения простудных, инфекционных и других заболеваний.

В свою очередь, эти свойства УЗ позволяет эффективно воздействовать на тепло-массообменные процессы, происходящие в продукте. При этом можно выделить наиболее перспективные варианты их использования. При УЗ воздействии свободная влага в большом количестве выводиться из межклеточного пространства и из внутриклеточных включений. С помощью УЗ воздействия можно интенсивно извлекать влагу из внутриклеточного пространства. Для интенсификации процесса сушки применен способ удаление влаги из материала под влиянием интенсивных акустических (УЗ) колебаний. В значительной мере эффективность УЗ сушки связана с ускорением процессов теплообмена в ультразвуковом поле. При этом высушиваемый материал подвергается воздействию ультразвукового поля с уровнем интенсивности і=145 дБ. При высокой влажности (влагосодержании) капиллярно-пористых материалов имеет место чисто механическое удаление влаги, которое сводится к своеобразному "вытряхиванию" жидкости из капилляров. Это происходит вследствие дробления капель при возникновении у поверхности материала сильных акустических потоков и появления капиллярных волн.

Первая стадия, характеризуемая постоянной скоростью сушки, отличается тем, что удаляемая с поверхности высушиваемого материала влага непрерывно восполняется поступающей из его внутренних слоев. Скорость сушки определяется в этой стадии градиентом концентрации жидкости в диффузионном пограничном слое. Под воздействием ультразвука процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется, поскольку во влажной поверхности возникают акустические потоки, вызывающие деформацию диффузионного пограничного слоя, при этом слой становится тоньше, градиент концентрации растет, что и приводит к ускорению удаления влаги с поверхности.

В случаях, когда входные параметры не являются дискретными, а принадлежат интервалу, то целесообразно и перспективно применение управление на основе нечёткой логики. Система управления технологическими процессом на основе нечеткой логики функционируют по следующему принципу (рис): показания измерительных приборов фаззифицируются (переводятся в нечеткий формат, в лингвистические переменные), обрабатываются - выполняется логическое заключение с использованием предварительно составленных правил базы знаний, дефаззируются и затем в виде обычных сигналов подаются на исполнительные устройства.

Под нечётким множеством понимается совокупность упорядоченных пар, составленных из элементов универсального множества и соответствующих степеней принадлежности этих элементов в просматриваемом множестве [11, с. 122-128, 12, с. 25-38.]. Степень принадлежности переменной x формализованному нечеткому множеству А характеризуется функцией принадлежности μA(x), которая принимает значения от 0 до 1, включая граничные значения. Чем выше степень принадлежности, тем в большей мере элемент универсального множества соответствует свойствам нечеткого множества. В традиционных системах управления технологическими процессами сигнал из сушильной камеры посредством датчиков значения температуры, скорости и других параметров передается на обработку на контроллер и далее с него на регулятор, в котором производится расчеты. Далее результаты расчетов передаются через исполнительный механизм на регулятор, который меняет параметры воздействия, оказываемое на сушилку (объект регулирования). Также контроллер следит за показателями датчиков и в случае выявления критических параметров сигнализирует об аварийной остановке, а далее производит какие-либо манипуляции с объектами регулирования, либо оператор принимает решения о ходе процесса сушки.

Большая эффективность сушильной камеры, использующей алгоритмы вывода на нечеткой логике, связана с возможностью самостоятельного регулирования, контролированию и других действий, связанных с процессом сушки. Для применения нечеткой логики управления создаются их правила. При этом используется принцип, схожий с методом чёрного ящика, где учитываются входные и выходные параметры, зависящие друг от друга, влияние окружающей среды. Входные параметрами принимаем разность температур горячего воздуха на входе в сушилку и отработанного на выходе из него, влажность теплоносителя в сушильной камере, скорость потока воздуха в нем, параметры высушиваемого материала, начальная их влажность.

Результаты и обсуждение. Температуру термолабильного материала в сушильной камере: условно можно разделить на 5 промежутков. Низкая – 40 45°С, умеренная – 46-50 °С, нормальная 51-55 °С, умеренно-высокая 56-60 °С, высокая 60 и выше. Влажность в сушильной камере: до 80%. Периодическая ультразвуковая обработка сырья в процессе сушки осуществляется по следующей комбинации 1 мин обработка 4-5 минут отстоя при влажности материала от 86 до 72 %, 2 мин обработка 6-10 минут отстоя при влажности материала от 72 до 50 %, и последний период 3 мин обработка 10-15 минут отстоя при влажности материала от 50 до 20 %. Исходная влажность: базовая – от 85-90 %, низкая 30-40 %, сухая около 20 %, вносится по регламенту процесса сушки.

При дальнейшем глубокого исследовании путем моделирования на основе нечеткой логики возможно расширение базы знаний за счет дополнения различных параметров процесса, учитываемых при исследовании. Это может быть, как более существенные параметры, так и не сильно влияющие на эффективность процесса сушки. Например, можно учитывать более детальный подход к расчету времени сушки, включение расчетных коэффициентов, влияющих на общее время сушки, добавление времени прогрева, начальной температуры сырья, погодные условия, а также менее влияющие факторы, которые тем или иным образом не существенно влияют на процесс сушки.

Составлено ряд правил, зависящих друг от друга, они все будут составляться одно с несколькими, пока вариации входных и выходных параметров не закончатся. К примеру, продолжительность ИК и УЗ обработки от влажности, скорости сушки, глубины вакуума, температуры сушильной камеры и т.д.

Рисунок. Управление сушкой на основе нечеткой логики

Заключение. Пример управления сушильной камерой на основе нечеткой логик приведен на рисунке. Датчики в сушильной камере, использующей нечеткую логику, устанавливаются аналогично. Данные передаются на фаззификатор и блок логического вывода, далее они сопоставляются с правилами, записанными в базе, и затем принимается решение о ходе процесса сушки, объектами регулирования которой является вакуум насос, ИК и УЗ излучатели. Допустим в данный момент времени в сушильной камере температура 45 °С, по рассчитанному режиму она должна быть 55 °С, то сушильная камера, понимая, что необходима температура 55 °С увеличит подачу тепла до тех пор, пока не установится необходимая температура режима, если скорость сушки намного снизалась, то подается сигнал на излучатели.

Исследования показали, что использование в комбинации ИК и УЗ в вакуумной сушке при обезвоживании термолабильных продуктов имеют неоспоримые преимущества.

Список литературы:

1. Абдурахмонова Н.О., Бобоёров Р.О., Абдурахмонов О.Р.   Применение ультразвука при сушке термолабильных материалов // Развитие науки и технологий. Бухарский инж-техн-го институт. – 2024. – №4. – С. 13-17.
2. Абдурахмонова Н.О., Бобоёров Р.О., Абдурахмонов О.Р.   Особенности сушки термочувствительных материалов комбинированным энергоподводом // Materials  of the international scientific and practical conference  "innovative solutions in industrial engineering" Bukhara. 24-25.11.2023. – С. 91-93.
3. Zecchi B., Clavijo L., Martinez Garreiro J., Gerla P. Modeling and minimizing process time of combined convective and vacuum drying of mushrooms and parsley // Journal of Food Engineering. 104 (1), 49-55, 2011.
4. Бышов Д.Н., Каширин Д.Е., Гобелев С.Н. и др. К вопросу вакуумной инфракрасной сушки перги // Вестник Рязанского государственного агротехнологического унив-та им. П.А. Костычева. 2016. № 1 (29). С. 56-59.
5. Xie L, Mujumdar Arun S., Fang Xiao-Ming, Wang Jun Far-infrared radiation heating assisted pulsed vacuum drying (FIR-PVD) of wolfberry (Lycium barbarum L.): Effects on drying kinetics and quality attributes // Food and Bioproducts Processing, 102, 320-331, 2017.
6. Mu Yanqiu, Zhao Xinhuai, Liu Bingxin Influences of microwave vacuum puffing conditions on anthocyanin content of raspberry snack // International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 6 (3), 80-87, 2013.
7. Патент 2462867С1 Российская Федерация, МПК В7/02. Способ вакуумной сушки ягод / Ермолаев В.А., Федоров Д.Е., Масленникова Г.А.; заявитель и патентообладатель Кемеровский технол. Ин-т пищ. Пром. -№ 2011122882/13; заяв. 06.06.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28. - 5 с.
8. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. - М.: МГТУ им. Баумана, 2005. - 224 с.
9. Horszwald A., Julien H., Andlauer W. Characterisation of Aronia powders obtained by different drying processes // Food chemistry, 141 (3), 2858-2863, 2013.
10. Yuan-hui Li, Ya-ru Qi, Zhen-feng Wu. Comparative study of microwave-vacuum and vacuum drying on the drying characteristics, dissolution, physicochemical properties, and antioxi-dant capacity of Scutellaria extract powder // Powder technology, 317, 430-437, 2017.
11. Савченко Д.В. Нечеткая логика и нечеткие информационные технологии / Д.В. Савченко, К.М. Резникова, А.А. Смышляева // Отходы и ресурсы. - 2021. – Том 8, № 1. DOI: 10.15862/10ECOR121.  -С. 122-128.
12. Штовба. С.Д. Проектирование нечетких систем средствами Matlab. / С.Д. Штовба. – М.: Горячая линия -Телеком, 2007. - 288 с.