ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ФИНИКОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты практической апробации технологии конвективной сушки плодов финиковой пальмы, выращенных в условиях Узбекистана, на базе предприятия ООО «Nateco Impex», специализирующегося на сушке и экспорте фруктов и овощей. В процессе исследования были глубоко изучены физико-химические основы процесса, параметры режимов сушки, характеристики воздушного потока, а также факторы, влияющие на качество готовой продукции.

В ходе эксперимента проанализировано влияние температуры, скорости воздуха, начальной влажности и продолжительности сушки на конечную влажность, вкусовые качества, цвет и структуру плодов фиников. На основе теоретических знаний о конвективной сушке и их практической апробации разработаны рекомендации по повышению энергоэффективности и оптимизации качества готовой продукции. Проведённое исследование призвано служить ориентиром для последующих научных разработок. Полученные результаты имеют практическое значение для организации промышленной сушки плодов финиковой пальмы с высокими качественными характеристиками, повышения энергетической эффективности, а также для оптимизации работы конвективной туннельной сушильной установки модели DT1200HD и оборудования для конвективной сушки фруктов и овощей Nateco_1000.

ABSTRAСT

In this article, we conducted a practical trial of the convective drying technology for dates grown in the conditions of Uzbekistan at Nateco Impex LLC, a company specializing in the drying and export of fruit and vegetable products. In this process, the physicochemical fundamentals, drying regime parameters, airflow regime parameters, and factors affecting the quality of the dried product were thoroughly studied. During the study, the effects of equipment temperature, air velocity, initial moisture content, and drying duration on the final moisture content, flavor, color, and texture of the date fruit were analyzed. Recommendations for optimizing energy efficiency and product quality were developed by studying the theoretical aspects of convective drying and testing them in practice. The research was conducted to serve as a guide for future scientific studies. The results obtained from the industrial-scale quality drying of human-consumable fruits, the increase in energy efficiency, and the DT1200HD convective tunnel dryer and the Nateco_1000 convective fruit and vegetable drying equipment model have practical significance, they help optimize operational efficiency.

Ключевые слова: конвективная туннельная сушильная установка модели DT1200HD, оборудование для сушки фруктов и овощей Nateco_1000, финик, транспортёрная лента, инспекция, органолептические показатели, энергетическая эффективность, нож для резки фруктов FamDropl.

Keywords: model: DT1200HD convective tunnel dryer, Nateco_1000 fruit and vegetable drying equipment, date conveyor belt, inspection, aerodynamic parameters, energy efficiency, FamDro fruit cutting knife

Введение

Финик является одним из важнейших питательных продуктов, богатых витаминами, в таких странах, как Узбекистан, Саудовская Аравия, Иран, Египет. Свежие спелые плоды финика содержат 65–75 % воды и относятся к скоропортящимся продуктам. Снижение влажности фиников путем сушки до 15–20 % позволяет увеличить срок их хранения до 1–2 лет и расширить экспортный потенциал. Прежде всего, считаем уместным уточнить сущность процесса сушки. Сушкой называется процесс обезвоживания влажного материала с помощью сушильного агента. При этом влага переходит из твердой фазы в газовую за счет испарения [3]. В период хранения и первичной обработки сельскохозяйственной и пищевой продукции происходят различные биохимические, ферментативные и микробиологические изменения, которые приводят к ухудшению органолептических показателей образцов. Избыточное содержание влаги в продукте способствует развитию микроорганизмов и повышению ферментативной активности. Для предотвращения этих процессов применяются естественные или искусственные способы сушки, что позволяет добиться длительного хранения продукции [9].

Среди методов искусственной сушки мы выбрали конвективный способ как один из наиболее эффективных. Конвективная сушка представляет собой процесс, при котором влажный материал непосредственно взаимодействует с сушильным агентом. В качестве последнего обычно используется нагретый воздух или дымовые газы [1]. Данный метод эффективен не только для сушки фиников, но и для других фруктов и овощей, что позволяет обеспечивать население витаминизированной продукцией в течение всего года. Сушеные фрукты и овощи удобны в хранении, транспортировке и востребованы на мировом рынке. Согласно современным данным, мировое производство плодов финиковой пальмы в 2024 году достигло 9,7 млн тонн, из которых 25–30 % перерабатываются на сушильных заводах и поступают на рынок в виде сушеной продукции. Традиционная сушка на солнце является наиболее энергоэффективным методом, однако она длится 20–40 дней и сопряжена с рисками загрязнения пылью, насекомыми и микроорганизмами, что создает угрозу для здоровья населения. Современная конвективная сушка требует меньше времени (6–14 часов), хотя и имеет более высокие энергозатраты по сравнению с естественной сушкой, но при этом обеспечивает высокий уровень гигиены и позволяет получить качественный сушеный продукт с однородными свойствами. Целью данного исследования является определение оптимальных режимов конвективной сушки для наиболее распространенных в Узбекистане сортов фиников: «Султана», «Шарк хурмоси», «Фую», «Зухайди» и «Барака» [6].

Основная часть

Конвективная сушка представляет собой процесс удаления влаги из продукта с помощью потока нагретого воздуха. При этом тепло передается плодам финика через воздушный поток, а образующиеся пары воды выводятся вместе с воздушным потоком. Преимуществами данного метода являются простота управления процессом, более низкое потребление энергии по сравнению с другими типами сушильного оборудования, а также стабильное сохранение качественных характеристик продукта на требуемом уровне [7].

При сушке фиников с использованием конвективного метода температура воздуха обычно выбирается в диапазоне 40–75 °С. Слишком высокая температура приводит к потемнению плодов и разрушению витаминов. Наше исследование проводилось на предприятии ООО «Nateco Impex» с использованием конвективной туннельной сушильной установки модели DT1200HD, которая является более эффективной и энергосберегающей по сравнению с существующим оборудованием для сушки. Использование данной сушильной установки позволяет глубже изучить сущность процесса сушки фиников, что, как мы надеемся, станет основой для дальнейших исследований.

Республика Узбекистан занимает одно из лидирующих мест в мире по выращиванию фиников, входя в число стран-передовиков. Для исследования были отобраны полностью созревшие плоды сорта «Фую» (в народе называемого «инжирным фиником»), собранные из хозяйств фермеров. Плоды были твердыми, не размягченными и не поврежденными, с характерной вяжущей нотой во вкусе. Свежие плоды финика содержат 70–80 % влаги, 18–25 % углеводов, 2–3 % витаминов и минеральных веществ, а также 1–2 % пищевых волокон. Высокое содержание влаги делает финик чувствительным к воздействию микроорганизмов. При сушке финика целесообразно снизить содержание влаги до 15–20 %.

Процесс конвективной сушки финика осуществляется поэтапно. Отобранные плоды сортируют и отделяют от плодоножек (рис. 1). Отделенная плодоножка составляет около 2,5 % от общей массы плода. Для тщательной мойки используется моечное оборудование с транспортерной лентой модели DT-CE1000 и системой воздушных пузырьков модели DT-BW800, где вода подается сверху в виде высоконапорного дождя (рис. 2). Затем на ленточном транспортере модели DT-DE1200V с обдувом воздуха производится удаление излишков влаги с поверхности плодов. На инспекционной ленте модели DT-IC100 производится удаление плодов, непригодных для сушки (около 1 %).

Согласно данным из литературных источников и опыту квалифицированных технологов, процессы мойки и инспекции позволяют ускорить общий процесс сушки на 30 %. Это, в свою очередь, способствует экономии электроэнергии, что является актуальной задачей, позволяющей обеспечить стабильное энергоснабжение в отдаленных сельских домохозяйствах.

Продукт, прошедший инспекцию и подготовленный к сушке, укладывается в ящики и нарезается на дольки толщиной 6 мм с помощью ножа для резки фруктов марки FamDropl (рис. 3). В процессе резки потери продукта составляют 1,5 % (измельчение, образование крошки, непригодной к употреблению). Нарезанные дольки финика доставляются к тележкам в лотках, предназначенных для пищевых продуктов. Подготовленный материал загружается в туннельную сушилку модели DT1200HD, предназначенную для сушки фруктов и овощей. Данная сушильная установка оснащена 48 тележками, на каждой из которых размещено по 16 поддонов. На каждый поддон в один слой укладываются нарезанные дольки финика. После заполнения поддонов они устанавливаются на тележки (рис. 4). Заполненные тележки последовательно загружаются в туннельную сушилку модели DT1200HD. Установка состоит из двух камер: в первую камеру помещается 24 тележки, во вторую — также 24 тележки. После заполнения первой камеры 24 тележками двери закрываются, после чего во вторую камеру загружаются оставшиеся 24 тележки с продуктом. На панели управления задаются параметры сушки фиников с помощью сенсорных датчиков. Затем нажимается кнопка пуска, и процесс сушки запускается. Сушка осуществляется в четыре этапа с заданными режимными параметрами.

Установка работает в интеллектуальном режиме, удаляя влагу из продукта в соответствии с заданными параметрами. Горячий воздух внутри установки не выбрасывается наружу, а используется повторно, что исключает загрязнение окружающей среды. Данное оборудование по праву можно считать одним из самых энергоэффективных на сегодняшний день. На описанной установке был приобретен достаточный опыт сушки различных фруктов и овощей. С учетом современных реалий мы также провели сушку фиников на установке меньшего объема — «Nateco_1000», предназначенной для сушки фруктов и овощей и выполненной из сэндвич-панелей. Этапы подготовки продукта к сушке аналогичны: отбор качественного сырья, тщательная мойка, удаление излишков влаги, удаление непригодных плодов на инспекционной ленте.

Модель DT1200HD представляет собой крупнотоннажную установку, идеально подходящую для промышленной сушки фруктов и овощей (экспорт фиников, крупные фермерские хозяйства, производство более 500 тонн сушеной продукции в год). К ее преимуществам относятся высокая производительность (в два раза больше продукта за один цикл), быстрая оборачиваемость, наименьшее среди аналогичного оборудования энергопотребление и высокая конкурентоспособность готовой продукции на мировом рынке. Однако в ходе эксплуатации были выявлены и недостатки: высокие первоначальные инвестиции, необходимость в мощной электрической сети, а также незначительная разница во влажности продукта перед калорифером и конденсатором, обусловленная большим объемом загрузки.

Установка «Nateco_1000» представляет собой наиболее сбалансированный выбор для среднего бизнеса и предпринимателей, начинающих деятельность в данной сфере (производительность до 1–1,5 тонны сушеного финика в сутки). Она отличается более низкой стоимостью, простотой монтажа и меньшей электрической нагрузкой. Для поэтапного развития бизнеса возможен вариант установки двух-трех единиц «Nateco_1000» с последующим переходом на DT1200HD. В настоящее время при сушке одной и той же партии продукта эксплуатационные затраты на установке «Nateco_1000» ниже по сравнению с крупнотоннажным оборудованием. Такие установки малого объема незаменимы как для проведения научных исследований, так и для подготовки образцов продукции для выставочных мероприятий.

Результаты и обсуждение

Сушка — это процесс удаления влаги из продукта, при котором тепло- и массообмен происходят одновременно [10]. Данный процесс был исследован на предприятии ООО «Nateco Impex» с использованием туннельной конвективной сушильной установки модели DT1200HD компании Drytech для обеспечения качественной сушки плодов финика (рис. 5). Установка представляет собой горизонтальное двухкамерное сушильное оборудование со следующими габаритными размерами камеры: длина — 13 660 мм, ширина — 3 230 мм, высота — 2 200 мм. Конструкция сушильной камеры выполнена из металлических полиуретановых сэндвич-панелей. Толщина полиуретановой изоляции составляет 100 мм, толщина металлического покрытия — 0,4 мм. В зависимости от типа продукта установка позволяет загружать от 5 до 10 тонн сырья.

Продукт загружается на поддоны 48 тележек, на каждую из которых укладывается до 1350 кг. Общая загрузка 48 тележек составляет 1 тонну продукта. Тележки изготовлены из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Каждая тележка оснащена 16 поддонами, представляющими собой сетчатые лотки из нержавеющей стали 304 толщиной 0,5 мм. В каждой камере размещается по 24 тележки. Сушильная камера оснащена системой нагрева, включающей по два нагревательных тена в начале каждой камеры мощностью 9 кВт. Нагретый воздух перемещается с помощью вентиляторов: в каждой камере установлено по 12 вентиляторов мощностью 550 Вт (всего 24 вентилятора). В конце каждой камеры расположен конденсатор, который с помощью 4 компрессоров улавливает влагу, выделяемую из продукта, охлаждает её и удаляет в виде конденсата. Охлажденный воздух возвращается в сушильный агент, что позволяет снизить энергозатраты на нагрев по сравнению с использованием наружного холодного воздуха. Процесс не сопровождается выбросом отходов, что исключает загрязнение окружающей среды. Данная установка является энергоэффективной; её общая электрическая мощность составляет 40 кВт·ч.

Исследование проводилось на образцах финика сорта «Фую» урожая последнего года из Ферганской долины Узбекистана [6]. Для эксперимента были отобраны образцы с начальной влажностью 72,3 % и средней массой одного плода 18,5 г.

Кинетика сушки и скорость процесса В ходе эксперимента, проведённого в сушильной камере модели DT1200HD при температуре 70 °C, относительной влажности воздуха 25 % и скорости воздуха 1,2 м/с, конечная влажность финика была доведена до 18–20 %. Процесс продолжался 19 часов, что в 6–8 раз быстрее по сравнению с традиционной теневой сушкой (5–7 дней). Кинетика удаления влаги носила двухстадийный характер:

Первый этап (температура в камере 60 °C, 0–6 часов): быстрое снижение влажности (с 72 % до 50 %) — массоперенос происходит через пограничный слой;

Второй этап (температура в камере 70 °C, 6–19 часов): медленная миграция влаги (с 50 % до 19 %) — определяющим фактором является внутренняя диффузия.

Модель DT1200HD представляет собой эффективное оборудование для промышленной сушки фруктов, обеспечивающее высокое качество, стабильность процесса и сохранение цвета, витаминного состава и микробиологической безопасности продукта. На рисунке 7 представлен внешний вид высушенных фиников. Вместе с тем, с научно-практической точки зрения актуальным является дальнейшее повышение энергоэффективности и снижение экологического воздействия путём интеграции с оборудованием нового поколения, таким как установка Nateco_1000. Установка «Nateco-1000» представляет собой профессиональное оборудование, специально разработанное для высококачественной энергоэффективной конвективной сушки всех видов фруктов и овощей. Конвективная сушилка «Nateco-1000» (рис. 6) оснащена мощной системой воздушной циркуляции и предназначена для равномерной сушки фруктов и овощей с максимальным сохранением естественного цвета, вкуса и питательных веществ.

Рисунок 5. Туннельная конвективная сушильная установка модели DT1200HD

Внешняя часть корпуса устройства выполнена из сэндвич-панелей толщиной 10 см, представляющих собой двухстороннюю металлическую обшивку толщиной 0,5 мм с промежуточным слоем пенополиизоцианурата в качестве изолятора, что обеспечивает сохранение тепла внутри камеры и способствует достижению энергоэффективности.

С использованием конвективной туннельной сушильной установки марки «Nateco_1000» был изучен процесс качественной, энергосберегающей и экологически устойчивой сушки финика сорта «Фую». Данная установка представляет собой горизонтальную однокамерную сушилку с габаритными размерами камеры: длина — 4600 мм, ширина — 1500 мм, высота — 2000 мм. В зависимости от вида продукта установка позволяет загружать от 500 кг до 1 тонны фруктов и овощей.

Продукт загружается на 8 тележек. Тележки изготовлены из нержавеющей стали толщиной 1 мм. В сушильной камере установлено 20 нагревательных тенов мощностью 0,5 кВт каждый. Нагретый воздух с помощью вентилятора мощностью 4 кВт направляется в сушильную камеру и распределяется через направляющие пластины и перфорированные трубы в нижней части. Циркуляция воздуха в установке условно разделена на две зоны: сторона А, через которую подаётся нагретый воздух, и противоположная сторона Б (где расположена дверь).Воздух нагревается с помощью тенов и под действием вентилятора равномерно распределяется через направляющие пластины и трубы в полу, направляясь от стороны А к стороне Б, проходя через слои продукта, размещённого на тележках. Влага, образующаяся в процессе сушки фруктов и овощей в зоне Б у двери, удаляется, затем воздух нагревается в калорифере и доводится до точки росы.

В зоне Б (со стороны двери) отработанный воздух забирается через всасывающий коллектор в верхней части камеры и по трубе диаметром 32 см направляется на дополнительный нагрев в калорифер, после чего с помощью вентилятора возвращается в зону нагревательных тенов. В верхней части камеры предусмотрен клапан для вывода влажного воздуха, который служит для поддержания заданного уровня относительной влажности в камере. Данный клапан работает автоматически, открываясь и закрываясь под контролем датчиков влажности. Таким образом, установка функционирует в режиме конвективной сушки с частичной рециркуляцией: часть воздуха возвращается в цикл, а часть выводится наружу через клапан. Благодаря этому достигается экономия электроэнергии за счёт повторного использования тёплого воздуха внутри камеры по сравнению с забором холодного наружного воздуха.

Приёмка плодов финика осуществляется в соответствии с описанным выше основным процессом: отбираются хорошо вызревшие плоды, которые очищаются от плодоножек, листьев, различных примесей и непригодных частей, затем моются, проходят инспекцию и нарезаются на дольки толщиной 6 мм.

Установка «Nateco_1000» состоит из 8 тележек, каждая из которых имеет 16 поддонов. На поддоны тележек укладываются нарезанные дольки финика. Общая загрузка 8 тележек составляет 172 кг продукта, который затем загружается в сушильную камеру установки «Nateco_1000». По сравнению с современными аналогами, данная усовершенствованная установка потребляет 15 кВт·ч электроэнергии. За счёт использования комбинированного источника энергии — солнечных панелей — энергопотребление снижается в два раза.

Рисунок 6. Конвективная сушильная установка для фруктов и овощей Nateco_1000

Кинетика сушки и скорость процесса

В ходе эксперимента, проведённого в сушильной камере Nateco_1000 при температуре 60–70 °C, относительной влажности воздуха 25 % и скорости воздушного потока 1,8 м/с, конечная влажность финика была достигнута на уровне 18–20 %. Продолжительность процесса составила 8 часов, что в 8–10 раз быстрее по сравнению с традиционной сушкой в тени (5–7 суток). Кинетика влагоудаления носила двухстадийный характер:

Первый этап (температура в камере 60 °C, 0–3 часа): интенсивное удаление влаги (влажность снизилась с 72 % до 50 %), массоперенос осуществляется через пограничный слой. Второй этап (температура в камере 70 °C, 3–8 часов): замедленная миграция влаги (влажность снизилась с 50 % до 15 %), лимитирующим фактором выступает внутренняя диффузия. Установка Nateco_1000 представляет собой эффективное оборудование для качественной и стабильной сушки фруктов в условиях малого промышленного производства. В процессе сушки был получен продукт, характеризующийся высоким сохранением цвета, углеводного состава и микробиологической безопасности высушенных плодов финика (рис. 8).

Заключение

В результате проведённых экспериментальных исследований по сушке финика сорта «Фую» на двух установках — сушильной камере Nateco_1000 и туннельной конвективной сушильной установке DT1200HD — на базе ООО «Nateco Impex» установлено, что технология конвективной сушки позволяет осуществлять контролируемый процесс сушки с высокими стабильными качественными показателями как в крупном, так и в малом промышленном масштабе. На обеих конвективных сушильных установках за счёт интенсивного испарения влаги под действием конвективного потока горячего воздуха и повторного использования нагретого воздуха процесс сушки ускоряется в несколько раз по сравнению с традиционной теневой сушкой, а также с другими типами конвективных сушильных установок. Это способствует увеличению производственной мощности, достижению энергоэффективности, а также сокращению занимаемых площадей, трудозатрат и времени обработки продукции. Туннельная конвективная сушильная установка DT1200HD является одним из наиболее современных устройств на сегодняшний день. На основе анализа недостатков, выявленных в процессе её эксплуатации, была разработана и усовершенствована предлагаемая нами энергоэффективная установка для сушки фруктов и овощей Nateco_1000, в которой данные недостатки были устранены. Установка DT1200HD является оптимальным оборудованием для крупных предприятий, специализирующихся на сушке фруктов и овощей. Установка Nateco_1000 представляет собой гибридное энергоэффективное оборудование, комбинированное с источниками альтернативной энергии, и является наиболее подходящим решением для малых промышленных зон.

Список литературы:

1. Юсупбеков Н.Р., Нурмухаммедов Х.С., Закиров С.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – Т.: «Восток», 2003. – 644 с.
2. Салимов З. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для студентов высших учебных заведений. – Т. 1. – Т.: Узбекистан, 1994. – 366 с.
3. Салимов З. Основные процессы и аппараты химической технологии. Т. 2. Процессы массообмена: Учебник для высших учебных заведений. – Т.: Узбекистан, 1995. – 238 с.
4. Панфилов В.А., Артиков А.А., Худайбердиев А.А., Хамдамов А.А., Курбанов Н.М. Технологические линии производства пищевых продуктов: Учебное пособие. – Наманган, 2021.
5. Мелибоев М.Ф., Маматов Ш.М., Эргашев О.К. Энергопотребление и экономические показатели при сублимационной и микроволновой сублимационной сушке сливы // Universum: технические науки. – Москва, 2022. – № 5 (98). – С. 9–12.
6. Хошимов Ф., Курбанов Н., Орифбоева М. Технология сушки плодов финика. – Dodo Books Indian Ocean Ltd., OmniScriptum S.R.L Publishing group, 2022.
7. Мелибоев М.Ф., Эргашев О.К., Маматов Ш.М. Технология сушки фруктов и овощей: Учебное пособие. – Наманган, 2022. – 185 с.
8. Худайбердиев А.А., Хамдамов А.М., Курбанов Н.М., Худайбердиев Аб.А. Задачи и примеры по расчету технологических процессов и аппаратов химической и пищевой промышленности: Монография. – Ч. 1. – Наманган, 2022. – 168 с.
9. Эргашев О.К., Маматов Ш.М. Технология сушки фруктов и овощей: Учебное пособие для практических занятий. – Наманган, 2022. – 185 с.
10. Ченгель Ю.А., Джаджар А.Дж. Тепло- и массоперенос. Основы и приложения: Учебник. – 6-е изд. – McGraw Hill Education, 2020. – 1208 с.
11. Хамдамов А.М., Курбанов Н.М., Абдураззакова М.Н. Примеры и задачи по курсу «Основные технологические процессы и аппараты»: Учебное пособие. – Наманган: Мухандис ношир, 2025. – 133 с.