СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АБСОРБЦИОННОЙ СУШКИ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR ABSORPTION DRYING OF FOOD PRODUCTS

Группа изобретений относится к пищевой промышленности, а именно к способам и устройствам для сушки пищевых продуктов. Предлагаемые изобретения применимы для сушки таких продуктов, как фрукты, овощи, ягоды, мясные и рыбные продукты и другое. Особенно актуально применение сушки для консервации продуктов в районах, где климатические условия не позволяют выращивать свежие. Это районы крайнего севера, районы пустынной и полупустынной местности. Сушеные продукты используются для снабжения экспедиций, они входят в состав сухих пайков и рационов военнослужащих и специального контингента потребителей.
Сушеные овощи в основном используются в производстве сухих концентратов первых блюд, сухих овощных гарниров для вторых блюд, сухих завтраков и десертов, комбинированных сухих пряностей, предназначенных для производства консервов и приготовления отдельных видов блюд. Сушеные продукты применяются как на предприятиях общественного, быстрого питания, так и в быту. Одно из направлений развития в разработке сушеной продукции – расширение ассортимента продуктов для детского и школьного питания. Преимущество использования обезвоженных овощей и фруктов заключается в удобстве транспортировки, относительно длительных сроках хранения и достаточной простоты процесса приготовления готового продукта. Сушеные овощи и фрукты имеют достаточно высокое содержание углеводов (от 40 до 70%). Белками особенно богаты сушеные овощи. Органические кислоты представлены в основном лимонной, яблочной, винной кислотами.
Процесс сушки, в общем виде, заключается в извлечении влаги из пищевого сырья. Для удаления содержащейся в продукте влаги необходимо обратить ее в пар и отвести от продукта, подвергающегося сушке.
Из уровня техники известны следующие технические решения, обеспечивающие сушку (обезвоживание) продуктов питания.
Известен способ сушки пищевых продуктов, заключающийся в том, что продукт, подвергаемый сушке, раскладывается на сетчатые лотки, которые помещаются на солнце или в тень (естественная сушка). Под воздействием тепла, содержащегося в атмосферном воздухе, и низкой влажности воздуха происходит сушка (О.Н.Дедова «Воздушно-солнечная сушка овощей и картофеля», ГОСТОРГИЗДАТ, 1944 г.). К достоинствам такого способа сушки можно отнести низкую цену оборудования (только лотки и навесы), низкую себестоимость процесса, за счет использования природных условий. Однако возможность использования естественной сушки зависит от погодных условий, также недостатки естественной сушки заключаются в большом занимаемом пространстве, загрязнении продукта пылью, возможности попадания насекомых, обсеменении продукта нежелательной микрофлорой, невозможности работы в зимних условиях, в условиях высокой влажности, невозможности получения стандартной влажности на выходе.
Также известен способ сушки пищевых продуктов, заключающийся на том, что продукт продувается воздухом, который нагревается посредством любого нагревателя (газовый или твердотопливный котел, электронагреватель, иные методы), затем нагретый воздух продувается через осушаемый продукт, где воздух взаимодействует с продуктом, нагревая его, одновременно унося испарившуюся из продукта влагу (конвекционная сцшка). Отработанный влажный воздух выбрасывается в атмосферу, иногда передавая часть своей теплоты через рекуператор свежему воздуху, поступающему на нагрев. Сушилка в этом случае также называется «открытого типа» (В.Н. Тепляшин и др, «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ», 2019 г., с.69-80). Плюсы данной технологии заключаются в отработанной технологии, наличия исследований и усовершенствований техники, используемой при сушке, низкой цене оборудования, значительном сроке хранения в герметичной таре при обычных условиях, низком потреблении электрической энергии, способ применим к широкому спектру продуктов. Недостатками данной технологии являются высокое потребление тепловой энергии, сильное снижение количества витаминов и аминокислот до 15% от исходного, ввиду того, что продукт подвергается воздействию высоких температур, изменение органолептических показателей, окисление в процессе сушки кислородом воздуха.
Также известен способ сушки пищевых продуктов, заключающийся в том, что в сушильной камере последовательно установлены испаритель и конденсатор холодильной машины (конденсационная сушка). На испарителе холодильной машины воздух охлаждается ниже точки росы, влага, содержащаяся в нем, выпадает в жидком виде и удаляется, конденсатор холодильной машины снова нагревает воздух, который продувается через продукт, испаряя из него влагу. Таким образом, воздух извне не используется, циркулирует только воздух внутри холодильной камеры (публикация RU93029571А от 27.07.1996). Недостатки такого способа сушки продуктов заключаются в значительном потреблении электрической энергии для работы холодильной машины, невозможности производить сушку при высоких температурах, большой продолжительности процесса сушки. Кроме того, в испарителе, ввиду благоприятных условий, интенсивно развивается патогенная микрофлора, что требует особо тщательных мер дезинфекции оборудования.
Также известен способ сушки пищевых продуктов, основанный на том, что влага удаляется из предварительно замороженного продукта в вакууме (сублимационная сушка). В данном методе происходит сухая возгонка «сублимация» льда, содержащегося в продукте. Таким образом лед обращается в пар минуя жидкую фазу. Образовавшийся водяной пар, как правило, намораживается на трубы десублиматора, и, таким образом, отводится из объема сублиматора (В.Н. Тепляшин и др, «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ», 2019 г., с.80-82).  Плюсы данной технологии заключаются в хорошем сроке хранения готовой продукции при обычных условиях, наилучших органолептических показателях, возможности восстановления продукта, а также практически полном сохранении витаминов и полезных веществ,  при этом, за счет максимального удаления содержащейся в продукте влаги, обеспечивается наименьший вес продукта. Однако у этого способа есть и значительные минусы, состоящие в необходимости хранения готовой продукции только в герметичной непрозрачной таре, очень высокой стоимости оборудования (порядка 17 млн. рублей установка мощностью 600 кг загрузки), очень значительном потреблении электроэнергии (от 3 до 10 кВт для удаления 1 кг влаги), необходимости обязательной заморозки сырья, а также длительности рабочего цикла (20-24 часа).
Наиболее близким аналогом, близким по технической сущности к заявленному способу сушки пищевых продуктов, является способ абсорбционной сушки пищевых продуктов (патент GB954746, 08.04.1964 г), включающий этапы, на которых пищевые продукты, например, фруктовые соки, овощи, рыба, птица, мясо, высушиваются в лотках в изолированной камере воздухом, поддерживаемым при необходимой температуре с помощью теплообменника, вентилятора и холодильника. При этом влага удаляется из воздуха твердым сжижаемым гигроскопическим агентом, например хлоридом кальция, на наклонных перфорированных лотках. Сжиженный гигроскопический агент подается в камеру и проходит через фильтр и испаритель, концентратор, кристаллизатор и охлаждающие тарелки, и снова поступает в камеру в твердом виде на самую верхнюю тарелку. Содержание кислорода в воздухе камеры можно уменьшить, а количество углекислого газа увеличить с помощью спиртовой горелки, теплота сгорания поглощается в теплообменнике. С помощью вентилятора воздух проходит по пути, практически параллельному поверхностям слоев пищи в лотках.
Наиболее близким аналогом, близким по технической сущности к заявленному устройству для сушки пищевых продуктов, является устройство для абсорбционной сушки пищевых продуктов (патент GB954746, 08.04.1964 г), включающее изолированную камеру, средства для удержания указанного влагосодержащего материала, расположенного в указанной камере, средства для удержания твердого сжижаемого гигроскопического агента в указанной камере, средства внутри указанной камеры для регулирования температуры газообразной дегидратирующей среды, средства для рециркуляции указанной газообразной дегидратирующей среды в замкнутом контуре между указанными средствами удержания влагосодержащего материала и указанными средствами удержания гигроскопического агента, средства регенерации, расположенные снаружи под углом 85 относительно указанной камеры, средства для прохождения гигроскопического агента в жидкой форме из указанной камеры в указанное средство регенерации и средство подачи регенерированного гигроскопического агента обратно в указанную камеру к ее удерживающему средству гигроскопического агента.
Недостаток известной технологии заключается в сложности устройства системы регулирования и рециркуляции дегидратирующей среды и необходимости использования гигроскопического агента в разных агрегатных состояниях в течение технологического процесса.
Техническая проблема, решаемая заявленным способом, заключается расширении арсенала технических средств и способов, предназначенных для абсорбционной сушки пищевой продукции с возможностью регулирования режимов в зависимости от вида обрабатываемой пищевой продукции.
Технический результат патентуемой группы изобретений заключается в улучшении у обработанных продуктов органолептических показателей, близких к продуктам, подвергшихся сублимационной сушке, при упрощении процесса обработки пищевой продукции.
Заявленный технический результат достигается за счет реализации способа абсорбционной сушки пищевых продуктов, включающего этапы, на которых высушиваемый продукт размещают в туннеле сушильной камеры на сетчатых лотках, включают вентилятор, посредством рециркуляционного насоса абсорбера забирают из поддона абсорбера раствор хлористого кальция, прокачивают его через теплообменник-охладитель и орошают насадку абсорбера, представляющую собой пластиковую призматическую трехмерную структуру, посредством циркуляционного насоса абсорбера перекачивают раствор хлористого кальция через теплообменник растворов в поддон генератора, а посредством рециркуляционного насоса генератора перекачивают раствор хлористого кальция через оросительную систему на поверхность радиатора генератора, в поддон которого по ламелям радиатора, нагреваясь с частичным испарением воды, стекает нагретый раствор хлористого кальция, посредством циркуляционного насоса генератора перекачивают полученный раствор хлористого кальция через второй калорифер нагрева воздуха, после которого раствор подают в теплообменник растворов, где подогревают поступающий из абсорбера слабый раствор, водяные пары, выделившиеся при нагревании раствора в генераторе передают в емкость конденсатора, где они конденсируются на ламелях радиатора конденсатора, образующуюся теплоту отводят охлаждающей жидкостью, которая циркулирует внутри радиатора конденсатора посредством насоса конденсатора, который перекачивает ее в первый калорифер нагрева воздуха, в котором охлаждающая жидкость охлаждается воздухом от вентилятора, и охлажденной  возвращается в конденсатор, воздух, прокачиваемый вентилятором, последовательно проходит через первый калорифер нагрева воздуха, где нагревается, охлаждая охлаждающую жидкость радиатора конденсатора, затем через второй калорифер нагрева воздуха, где, дополнительно нагреваясь, охлаждает крепкий раствор, поступающий из генератора, затем поступает в третий калорифер нагрева воздуха, откуда проходит через продукт, разложенный на сетчатый лотках, далее влажный отработанный воздух возвращается по воздуховоду в абсорбер, где проходя через орошаемую охлаждаемым раствором хлористого кальция насадку, осушается, плотность раствора в режиме онлайн контролируется датчиком плотности раствора, который находится в поддоне абсорбера, по команде контроллера, следящего за плотностью раствора посредством этого датчика, обороты насоса рециркуляции генератора увеличиваются или уменьшаются.
Также  заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства для абсорбционной сушки пищевых продуктов, включающего сушильную камеру, представляющую собой туннель и содержащую тележки с сетчатыми лотками для размещения высушиваемых продуктов, а также первый, второй и третий калориферы, абсорбер, представляющий собой емкость с раствором хлористого кальция, соединенную с входом сушильной камеры через первый воздуховод, подключенный к верхней части емкости, и с выходом сушильной камеры через  второй воздуховод пластиковую насадку, представляющей собой пластиковую призматическую трехмерную структуру, установленную в нижней части емкости, в верхней части емкости абсорбера установлен вентилятор, подключенный к главному контроллеру управления, связанный с датчиком-анемометром, установленным в корпусе воздуховода, а также с датчиком плотности раствора в емкости абсорбера, установленным в поддоне емкости абсорбера, циркуляционный насос абсорбера, установленный в нижней части емкости и подключенный через трубопровод к теплообменнику растворов и к нижней части емкости генератора,  и рециркуляционный насос абсорбера, установленный в нижней части емкости и подключенный через теплообменник-охладитель слабого раствора к оросительной системе, выведенной на поверхность пластиковой насадки абсорбера, а также генератор, содержащий емкость, установленный в ней трубчатый радиатор, вход и выход которого соединены с теплоносителем, циркуляционный насос генератора, подключенный к теплообменнику растворов трубопроводом, проходящим через второй калорифер, и рециркуляционный насос генератора, соединенный с оросительной системой, выведенной на поверхность радиатора генератора, а также конденсатор, включающий радиатор, подключенный с двух сторон к трубопроводу, проходящему через первый калорифер и содержащему циркуляционный насос конденсатора, трубопровод третьего калорифера подключен к теплоносителю.
Влажный воздух, проходя через абсорбер, контактирует с раствором хлористого кальция, отдавая ему содержащуюся в себе влагу. Раствор хлористого кальция обладает, помимо всего прочего, сильным бактерицидным действием. Таким образом, воздух обеззараживается, что позитивно сказывается на микробиологических показателях осушаемого продукта.
Для каждого продукта требуются различные параметры сушки. К примеру, морковь необходимо начинать сушить при температуре воздуха 70°С и влажности 60%. При этом необходимо постепенно снижать влажность воздуха и понижать температуру. Если сразу уменьшить влажность воздуха до минимальной, то поверхность морковь покроется корочкой, которая будет препятствовать выходу влаги из более глубоких слоев, в таком случае, продукт не сможет охлаждаться за счет испарения воды и начнет подвариваться. Нарезанную кусочками клубнику, напротив, необходимо начинать сушить при низкой влажности воздуха, для того, чтобы подсушить место нарезки, что необходимо для препятствования вытекания сока. Однако температуру воздуха необходимо поддерживать не выше 43°С, для того, чтобы витамины, содержащиеся в клубнике, не разрушились, и не происходила карамелизация сахаров. То же относится и к некоторым другим ягодам.
Предлагаемая схема устройства и способ ее работы обеспечивает максимальную энергоэффективность установки, при этом практически вся теплота процессов возвращается в цикл, за исключением теплоты, которая теряется на испарение влаги из продукта. Предлагаемая установка работает на тепловой энергии, а электрическая расходуется на работу управляющих систем и работ маломощных насосов.
Важным являются разные режимы сушки, которые можно задавать в абсорбционной сушильной машине. Эти режимы можно очень точно настраивать, что происходит автоматически по заданной программе. Оператору достаточно выбрать тип продукта, загруженного в сушильную камеру, и сушка будет происходить по заранее составленной программе, где будут на разных этапах сушки устанавливаться различные температурные и влажностные режимы для наилучшего качества продукта.
Получаемый в абсорбционной сушильной машине продукт имеет наилучшие органолептические показатели, и по своему качеству приближается к продукту полученному при сублимационной сушке, при несравненно более низкой себестоимости процесса и капитальных затрат на оборудование.
Далее решение поясняется ссылками на фигуру, на которой приведена схема устройства и иллюстрация процесса реализации способа абсорбционной сушки пищевых продуктов.
Устройство содержит корпус сушильной камеры (18), представляющий собой открытый с двух сторон туннель, в котором установлены тележки (17), содержащие сетчатые лотки, на которых раскладывается высушиваемый продукт. Устройство содержит главный контроллер управления, связанный с вентилятором, установленным в воздуховоде на входе перед входом в камеру. Главный контроллер управления сушильной камерой устанавливает частоту его вращения таким образом, чтобы скорость воздуха в тоннеле сушильной камеры была 1 м/с. Контроллер получает сведения о скорости воздуха с датчика-анемометра, с которым он связан проводной связью
В камере расположены первый (14), второй (15) и третий (16) калориферы, через которые проходят трубопроводы системы циркуляции и конденсации. К входу камеры (18) одной стороной подключен воздуховод, который к другой стороне подключен абсорбер (1), в верхней части которого внутри воздуховода установлен вентилятор (13). К выходу камеры подключен второй воздуховод (20), другой своей стороной подключенный к нижней части емкости через пластиковую насадку, представляющую собой пластиковую призматическую трехмерную структуру, установленную в нижней части емкости абсорбера (1).
Система циркуляции и конденсации включает циркуляционные и рециркуляционные насосы, а также теплообменники. Циркуляционный насос абсорбера (7), установлен в нижней части емкости и подключенный через трубопровод к теплообменнику растворов (10) и к нижней части емкости генератора (2), а рециркуляционный насос абсорбера (8) установленный в нижней части емкости абсорбера (1) и подключен через теплообменник-охладитель слабого раствора (11) к оросительной системе, выведенной на поверхность пластиковой насадки абсорбера.
Генератор (2) содержит емкость, установленный в ней трубчатый радиатор (4), вход и выход которого соединены с теплоносителем. Циркуляционный насос генератора (8) подключен к теплообменнику растворов трубопроводом, проходящим через второй калорифер (16), а рециркуляционный насос генератора (9) соединен с оросительной системой, выведенной на поверхность радиатора генератора.
Конденсатор включает радиатор (5), подключенный с двух сторон к трубопроводу, проходящему через первый калорифер (14) и содержащему циркуляционный насос конденсатора (12), трубопровод третьего калорифера (16) подключен к теплоносителю.
Высушиваемый продукт раскладывается на сетчатые лотки и помещается в тележки (17), которые, в свою очередь, закатываются в туннель сушильной камеры
Главный контроллер управления сушильной камерой включает вентилятор (13), и устанавливает частоту его вращения таким образом, чтобы скорость воздуха в тоннеле сушильной камеры была 1 м/с. Контроллер получает сведения о скорости воздуха с датчика-анемометра (на схеме не показан).
Включается насос рециркуляции раствора хлористого кальция (7). Раствор хлористого кальция забирается насосом (7) из поддона абсорбера (1), прокачивается через теплообменник-охладитель (11) и орошает насадку абсорбера, представляющую собой пластиковую призматическую трехмерную структуру. Абсорбер (1) представляет собой тепломассообменный аппарат.
Циркуляционный насос (6) перекачивает раствор хлористого кальция через теплообменник растворов (10) в поддон генератора.
Рециркуляционный насос генератора (9) перекачивает раствор хлористого кальция через оросительную систему на поверхность радиатора генератора. При этом раствор нагревается, стекая по ламелям радиатора. При нагреве раствора, его частично покидает содержащаяся в нем вода, которая обращается в пар. Ставший более концентрированным раствор (50-70%) стекает в поддон генератора (2).
Циркуляционный насос крепкого раствора (8) перекачивает горячий (80-100°С) крепкий раствор хлористого кальция, из которого выпарилось часть воды, через второй калорифер нагрева воздуха (15). При прохождении раствора через калорифер, температура раствора снижается, а воздух, подаваемый в сушильную камеру, нагревается. Далее раствор поступает в теплообменник растворов (10) где подогревает поступающий из абсорбера (1) слабый раствор, тем самым дополнительно охлаждаясь
Водяные пары, выделившиеся при нагревании раствора в генераторе (2), поступают в емкость конденсатора (3), где конденсируются на ламелях радиатора конденсатора (5). Теплота, образующаяся при конденсации водяных паров, отводится охлаждающей жидкостью, которая циркулирует внутри радиатора конденсатора (5) посредством насоса конденсатора (12), который перекачивает ее в первый калорифер нагрева воздуха (14). Там охлаждающая жидкость охлаждается воздухом, который прокачивается вентилятором (13), и охлажденная возвращается в конденсатор. Таким образом, теплота конденсации возвращается в цикл.
Вода, которая образуется при конденсации водяных паров посредством дренажного патрубка (21) сливается в канализацию, либо используется для нужд предприятия.
Воздух, прокачиваемый вентилятором (13), последовательно проходит через первый калорифер нагрева воздуха (14), где нагревается (30-40°С), охлаждая охлаждающую жидкость радиатора конденсатора (5), затем через второй калорифер нагрева воздуха (15), где, дополнительно нагреваясь, охлаждает крепкий раствор (40-50°С), поступающий из генератора (2), затем поступает в третий калорифер нагрева воздуха (16), где, при необходимости, может быть дополнительно нагрет теплотой теплоносителя из котельной (50-90°С),
Далее воздух проходит через продукт, разложенный на сетчатый лотках, омывая его. При этом происходит процесс тепломассообмена. В этом случае горячий сухой воздух нагревает продукт, а также поглощает выделившуюся из продукта влагу. При этом воздух охлаждается и становится влажным. Проходя последовательно через тележки с продуктом воздух становится все более влажным и холодным (90 - 30°С).
При этом следует пояснить, что все примеры значений концентраций и температур приведены только в качестве иллюстрации реализации способа. В описанной технологии технический результат достигается за счет осуществления укрепления разбавленного раствора (сорбента) путем выпаривания из него влаги путем нагрева, и дальнейшем его охлаждении, при этом, чем крепче и холоднее раствор сорбента после выпаривания, и последующего охлаждения, тем больше его сорбционная емкость и ниже влажность воздуха после прохождения абсорбера.
Влажный отработанный воздух возвращается по воздуховоду (20) в абсорбер, где проходя через орошаемую охлаждаемым раствором хлористого кальция насадку, осушается, за счет того, что раствор хлористого кальция интенсивно абсорбирует влагу из воздуха. Теплота абсорбции отводится в теплообменник (11) и сбрасывается в градирню.
Плотность раствора в режиме онлайн контролируется датчиком плотности раствора (22), который находится в поддоне абсорбера и связан с главным контроллером управления проводной связью По команде контроллера, следящего за плотностью раствора посредством этого датчика, обороты насоса рециркуляции генератора (9) или увеличиваются, что приводит к интенсификации выпаривания воды из раствора в генераторе (2) либо уменьшаются, что приводит к уменьшению выпаривания. Таким образом, увеличение выпаривания раствора приводит к повышению концентрации раствора в абсорбере, а уменьшение, следовательно, к снижению этой концентрации. Управление концентрацией раствора необходимо для точного управления влажностью воздуха в сушильной камере, которая контролируется измерителями влажности воздуха, расположенными в сушильной камере (на схеме не показаны).
Примеры осуществления:
Пример 1. При обработке клубники необходимо начинать при низкой влажности воздуха 20-30% для того, чтобы подсушить место нарезки, что необходимо для препятствования вытекания сока и поддерживать низкую влажность в течение всего технологического цикла сушки (При этом температуру воздуха необходимо поддерживать не выше 43-50 °С) для того, чтобы витамины, содержащиеся в клубнике, не разрушились, и не происходила карамелизация сахаров. Время сушки клубники – 8-12 часов в технологическом цикле, выход продукции 15-16% с влажностью 8-10%.
Пример 2. При обработке моркови необходимо начинать при температуре воздуха 75°С и влажности 60%. Постепенно снижая влажность воздуха до 20% и понижая температуру до 55°С Если сразу уменьшить влажность воздуха до минимальной, то поверхность морковь покроется корочкой, которая будет препятствовать выходу влаги из более глубоких слоев, в таком случае, продукт не сможет охлаждаться за счет испарения воды и начнет подвариваться. Время сушки моркови - 6-8 часов в технологическом цикле, выход продукции 12% с влажностью 6%.