ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯ И ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ПРИ СУБЛИМАЦИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ

УДК 664.8.047

АННОТАЦИЯ

В процессе проведённых научных исследований была обеспечена равномерная температурная циркуляция в сушильной установке относительно перерабатываемого сырья за счёт изменения конфигурации труб стандартного вакуумно-сублимационного аппарата, предназначенных для замораживания и передачи тепла, с круглой формы на овальную, а также посредством монтажа дополнительной системы теплообменных труб. Установлено, что вследствие увеличения площади рабочей поверхности теплообменной трубки объём выделяемой тепловой энергии возрос в среднем в четыре раза. При применении оптимального теплового режима в процессе сублимационного высушивания фиников, инжира и дыни была подтверждена технологическая результативность данного метода, на основании чего разработана модернизированная конструкция вакуумно-сублимационной сушильной установки нового типа. В ходе экспериментальных исследований были проанализированы влияние плотности теплового потока на длительность процесса обезвоживания, воздействие температуры замораживания, формы и габаритов сырья на остаточную влажность готовой продукции, а также общее время сушки; полученные данные представлены в виде таблиц и графиков. Сохранность органолептических характеристик высушенной продукции (внешний вид, размеры, окраска, аромат и вкусовые свойства) составила 95÷98 %.

АBSTRАCT

During the course of the scientific research, a uniform temperature distribution within the drying chamber relative to the processed raw materials was achieved by modifying the shape of the freezing and heat-transfer pipes of a conventional vacuum freeze-drying unit from circular to oval, as well as by installing an additional heat-transfer pipe system. It was determined that the released heat capacity increased on average fourfold due to the expansion of the working surface area of the heat-transfer pipe. By applying the optimal thermal load during the freeze-drying process of dates, figs, and melons, the technological efficiency of the process was confirmed, and on this basis, an improved new design of a vacuum freeze dryer was developed. During the experimental studies, the influence of heat flux on the duration of the drying process, as well as the effects of freezing temperature, shape, and dimensions of the raw materials on the final moisture content of the product and the total drying time, were investigated, and the obtained results were presented in tabular and graphical forms. The preservation level of the organoleptic properties (shape, size, color, aroma, and taste) of the dried products reached 95÷98%.

Ключевые слова: фрукты, овощи, инжир, хурма, дыня, вакуум, сублимация, устройство, сушка, параметр, традиционный, экспериментальный, форма, размер, половинка, четверть.

Keywоrds: fruits, vegetаbles, fig, persimmоn, melоn, vаcuum, sublimаtiоn, device, drying, pаrаmeter, trаditiоnаl, experimentаl, shаpe, size, hаlf, quаrter.

Введение. В условиях стремительного увеличения численности населения планеты одновременно возрастает и потребность в продовольственных ресурсах. Во многих регионах климатические преобразования и продолжительные засушливые периоды стали причиной дефицита пищевой продукции, что, в свою очередь, способствует ежегодному росту требований к объёмам сельскохозяйственного производства, переработке сырья, выпуску качественных продуктов питания и обеспечению их безопасности. Повышающийся мировой спрос на высококачественную пищевую продукцию требует совершенствования процессов хранения и переработки продовольственных товаров. Одним из наиболее результативных способов обезвоживания продукции считается сублимационная сушка. Использование данной технологии способствует постоянному увеличению востребованности получаемых продуктов. Особенно активно ассортимент товаров, произведённых методом сублимационного высушивания, расширяется на рынках европейских стран, включая Испанию, Великобританию, Германию, Францию, Италию, Россию и другие государства Европы, причём масштабы распространения напрямую зависят от разновидности продукции. Сублимированные фрукты и овощи, напитки, кофейная и чайная продукция, молочные изделия, мясные и морские продукты всё чаще занимают значительное место среди популярных товаров, реализуемых в супермаркетах, гипермаркетах, круглосуточных торговых точках, интернет-магазинах и розничных сетях [1]. Проведение научно-практических исследований, направленных на разработку современных высокоэффективных технологических процессов и автоматизированных установок, обеспечивающих выпуск продукции высокого качества для удовлетворения непрерывно возрастающего спроса на продовольственные товары, определяет актуальность рассматриваемой темы.

Методы исследования. Для обезвоживания исходного сырья применялась технология сублимационного высушивания. Процесс удаления влаги из предварительно замороженных материалов в условиях глубокого вакуума называется лиофильной сушкой. В подобных условиях содержащаяся в продукте вода находится в твёрдом состоянии в виде льда, после чего происходит её непосредственный переход в парообразную фазу, минуя жидкое состояние. При использовании данного способа удаление влаги из структуры материала осуществляется поэтапно в три стадии: на первоначальном этапе при снижении давления внутри сушильной камеры происходит самопроизвольное замерзание влаги, а под воздействием внутренней теплоты самого продукта лёд преобразуется в пар (при этом удаляется приблизительно 15% содержащейся влаги); далее основная часть влаги устраняется посредством процесса сублимации, соответствующего периоду стабильной скорости сушки; на завершающем этапе остаточная влага удаляется под действием подводимого тепла. Метод сублимационного обезвоживания отличается более высокими энергетическими и эксплуатационными затратами по сравнению с большинством других технологий сушки (за исключением диэлектрического метода). В связи с этим данный способ преимущественно используется для обработки ценных видов сырья — мяса, фруктов, овощной продукции, медицинских и фармацевтических материалов, обладающих устойчивостью к повышенным температурам и требующих длительного сохранения биологически активных свойств. Вместе с тем в ходе такого процесса в продукте сохраняется около 95÷98% витаминного состава, а его внешний вид практически не подвергается изменениям.

Обсуждение и результаты. В процессе выполнения исследовательских работ первоначально были проведены экспериментальные исследования, направленные на выявление влияния теплового потока внутри сушильной камеры на продолжительность процесса обезвоживания, а полученные экспериментальные данные представлены в таблице 1. В качестве объектов исследования среди плодовых культур были выбраны инжир и хурма, а среди бахчевой продукции - дыня.

Tаблицa 1.

Влияние теплового потока при вакуумно-сублимационном высушивании на продолжительность технологического процесса для исследуемых объектов

(Замороженное состояние при температуре до −30 °C)

По данным, представленным в таблице 1, повышение температуры теплоносителя до 20÷40 °C привело к существенному изменению процесса обезвоживания.

Результаты эксперимента, в ходе которого исследовалось влияние температуры теплоносителя внутри сублимационной установки на конечное содержание влаги в продукте, представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние температуры теплового потока на конечное содержание влаги в продукте

Изменения на диаграмме показывают, что содержание влаги в финиках снижается с 2,6 % до 2,1 % при изменении теплового потока в процессе сублимации при температурах 20÷40 °C. Уменьшение остаточной влажности инжира наблюдалось с 2,8 % до 2,2 %. Влажность дыни снижалась с 2,9 % до 2,1 % по мере повышения температуры. При понижении температуры пищевых продуктов до -20÷-25 °C становится возможным замораживание 85÷90 % содержащейся в них влаги. Для замораживания 90–98 % влаги продукта необходимо снижение температуры до -30÷-40 °C. Это оказывает влияние на продолжительность процесса сублимационной сушки. Результаты эксперимента, проведённого по изучению влияния температуры на продолжительность сублимационного процесса для хурмы, инжира и дыни при температуре -20÷-40 °C и вакуумном давлении 125÷150 Па, представлены на рисунке 2.

Суммируя совокупные экспериментальные данные, представленные на обоих графиках, можно сделать вывод, что при проведении процесса сублимационной сушки в условиях вакуума при температуре 30 °C и давлении 150 Па продолжительность процесса в среднем составила 2÷3 часа, при этом снижение конечной влажности достигло 10÷12 % по сравнению с исходным значением конечной влажности.

Заключение. Проведён анализ научных исследований, направленных на повышение эффективности процесса сублимационной сушки фруктов и овощей, и на основании полученных результатов сформулированы цели и задачи данной научно-исследовательской работы;

В ходе сушки в сублимационной установке было установлено, что продолжительность процесса и уровень вакуумного давления зависят от конечного содержания влаги в продукте. При повышении температуры замораживания хурмы до -30 °C и вакуумном давлении 100 Па показатель влажности составил 2,9 %, при этом продолжительность процесса достигала 32 часов. При увеличении вакуумного давления до 125 Па длительность сушки сокращалась на 2 часа, а влажность уменьшалась на 0,3 %. При дальнейшем повышении вакуумного значения до 150 Па необходимое время процесса составило 5 часов, тогда как влажность снижалась на 0,7 %;

При изменении теплового потока в процессе сублимационной сушки при температуре 20÷40 °C было установлено, что показатель конечной влажности хурмы снижается с 2,6 % до 2,1 %. Остаточное содержание влаги в инжире уменьшилось с 2,8 % до 2,2 %. Влажность дыни также снижалась с 2,9 % до 2,1 % по мере повышения температуры;

При осуществлении процесса сублимационной сушки в условиях вакуумного давления 150 Па и температуры -30 °C установлено, что средняя продолжительность процесса составила 2–3 часа, при этом снижение конечной влажности достигало 10÷12 % по сравнению с конечной влажностью высушенных продуктов, полученных в стандартной вакуумно-сублимационной установке.

Список литературы:

1. Khudаiberdiev T.L. Аgriculturаl prоducts drying technоlоgy аnd devices, textbооk. - T: “Мухр пресс”. 2022. - 232 PP.
2. Mоrgunоvа E.M., Kоndrаtenkо S.А. The innоvаtive аnd cоmpetitive pоtentiаl оf fооd prоducts оf directed effectiveness. Bulletin оf the Plekhаnоv Russiаn University оf Ecоnоmics. 2022;(1):203-218.
3. Vаsiev M. G., Dаdаev K.О., Ihаbоev I. B., Sаpаevа Z. Sh., Gulоmоvа Z. Zh. Fundаmentаls оf fооd technоlоgy. Textbооk. –T: “Successоr-publishing”. 2012. – 400 PP.
4. О.K. Ergаshev, А.А. Egаmberdiev. Pоssibility оf using energy-sаving vаcuum-sublimаtiоn dryer in fruit аnd vegetаble drying. Scientific аnd Technicаl Jоurnаl Nаmаngаn Institute оf Engineering аnd Technоlоgy. Vоlume 7, Issue 3, 2022. ISSN 2181-8622. Pp. 62-67.
5. О.K.Ergаshev, А.А.Egаmberdiev, А.M. Khаmdаmоv, О.T.Mаllаbаev. Исследование процесса сублимаtsiонной сушки плодов сливы. UNIVERSUM: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Releаse: 12(105) December 2022. Pаrt 4. Mоscоw. Pp. 22-25.
6. О.K. Ergаshev, А.А. Egаmberdiev, M.F. Melibоev. Study оf energy аnd resоurce efficiency оf sublimаtiоn drying оf fruits аnd vegetаbles. UNIVERSUM: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Issue: 3(108) Mаrch 2023, Pаrt 5. Mоscоw. Pp. 15-18.
7. О.K. Ergаshev, А.А. Egаmberdiev. Chооsing аcceptаble pаrаmeters fоr experiment оn new energy-sаving vаcuum sublimаtiоn drying equipment. Scientific аnd Technicаl Jоurnаl Nаmаngаn Institute оf Engineering аnd Technоlоgy. Vоlume 8, Issue 2, 2023. ISSN 2181-8622. Pp. 92-96.
8. Melibоev, M. F. "Mаmаtоv Sh. M., Ergаshev ОK Energy cоnsumptiоn аnd ecоnоmic indicаtоrs in sublimаtiоn аnd micrоwаve sublimаtiоn dry plum." Universum: technicаl science 5.98 (2022): 9-12.