СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗЕРНОВЫХ ПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CEREAL PRODUCTS PROCESSING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам обработки зерна электромагнитными полями сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) и может быть использовано в пищевой промышленности и сельском хозяйстве преимущественно для получения «взорванного зерна» при производстве быстрорастворимой зерновой продукции и кормов для животных.
Известно, что высокая проникающая способность СВЧ-энергии позволяет эффективно осуществлять объемную тепловую обработку неметаллических материалов, в том числе содержащих воду. Также известно, что поглощение водой СВЧ-энергии приводит к практически полному ее преобразованию в тепловую энергию.
Получение «взорванного зерна» основано на скачкообразном нагреве до температуры 120-180°C предварительно прогретого зернового продукта. В результате предварительного прогрева зерновок, на их поверхности выделяется внутренняя влага, которая связывается крахмалом, образуя плотню оболочку, препятствующую дальнейшему выходу влаги. Это в значительной степени способствуют росту парциального давления паров внутри зерновок, возникающих в результате закипания капиллярной влаги, и их "взрыву". При этом изменяется структура сырого крахмала и происходит его расщепление на легкоусвояемые формы - декстрины.
Наиболее значимыми задачами, которые приходится решать при обработке зерновых продуктов при помощи воздействия электромагнитных полей СВЧ, являются: снижение затрат энергии, упрощение технологического процесса обработки, а также создание технологических установок для обработки продуктов, обладающих высокой производительностью, обеспечивающих высокое качество конечного продукта и безопасных условий для обслуживающего персонала.
Известна установка для сушки и обработки зерна и кормов (патент РФ №2459166, приоритет от 02.08.2010, Смирнов Б.Г. и др.), содержащая загрузочный и разгрузочный бункеры, вертикальную сушильную камеру, выполненную составной из 2 и более пар модулей СВЧ-нагрева и модулей сушки, смонтированных поочередно сверху вниз, при этом сопрягаемые стенки камер нагрева модуля СВЧ-нагрева и камеры сушки модуля сушки образуют единый канал потока зерна, а цилиндрический отражатель и цилиндрическая камера отсоса теплоносителя, расположенные по оси симметрии модулей, - единый канал отсоса теплоносителя, прикрытый сверху коническим рассекателем, а снизу подключенный к вытяжной вентиляции, СВЧ-генератор из нескольких (более 2) магнетронов с индивидуальными источниками питания, рупорные излучатели, раскрывы которых заглушены радиопрозрачными заглушками, ориентированы внутрь камеры и установлены симметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей на стенках камеры нагрева, а каждый рупорный излучатель через стандартный волновод подключен к соответствующему магнетрону, нагнетательный вентилятор, при этом вертикальная сушильная камера имеет в горизонтальной плоскости форму правильного многоугольника, а наружный диаметр цилиндрического перфорированного отражателя меньше ширины камеры нагрева на величину, равную (1,5-2,0)λ, где λ - длина волны СВЧ-излучения.
Конструкция данной установки имеет следующие недостатки. Во-первых, в ней используется несколько источников СВЧ излучения (магнетронов), что ведет к усложнению конструкции установки, так как каждый магнетрон требует отдельного ввода в сушильную камеру, а также к повышенным затратам энергии в процессе ее работы. Во-вторых, в данной установке применяется комбинация из нагрева посредством воздействия электромагнитных полей СВЧ и конвективного нагрева, при этом для обеспечения конвективного нагрева установка содержит нагнетательный вентилятор, что еще более усложняет конструкцию и ведет к дополнительным затратам энергии на обеспечение работы установки. Кроме того, при осуществлении конвективного нагрева сыпучих материалов, таких как зерно, чрезвычайно сложно обеспечить равномерность проникновения горячего воздуха по всему объему сушильной камеры из-за плотной укладки обрабатываемого материала.
Известен способ термообработки материалов и изделий в электромагнитном СВЧ-поле и устройство для его осуществления (патент РФ №2022488, Н05В 6/64, приоритет от 02.07.1990, Скрипник В.Н. и др.). Способ заключается в том, что объект термообработки вводят в волновод через продольную щель и пропускают электромагнитную волну через волновод в противоположных направлениях, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности нагрева, пропускают электромагнитную волну через волновод в противоположных направлениях поочередно.
Устройство для осуществления данного способа содержит первый и второй СВЧ-генераторы, волноводную линию типа "меандр", состоящую из нескольких последовательно включенных волноводных отрезков, в которых выполнены узкие продольные щели для транспортировки объекта термообработки, ловушки просачивающейся СВЧ-энергии, установленные у щелей, при этом, с целью повышения равномерности нагрева, в него введены первый и второй ферритовые вентили, включенные между соответствующим СВЧ-генератором и первым и вторым входами волноводной линии типа "меандр" соответственно, генератор управляющих импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом первого СВЧ-генератора, а второй выход - с управляющим входом второго СВЧ-генератора.
Недостатком данного способа является то, что поскольку объект термообработки вводится в волновод через продольную щель в его широкой стенке, нет возможности пропускать обрабатываемый продукт через устройство в больших объемах, следовательно данное устройство не может обеспечить высокую производительность. Также использование двух источников СВЧ излучения влечет за собой более высокую энергоемкость данного способа, а также необходимость применения для его осуществления устройства со сложной конструкцией, в том числе с системой развязок для обеспечения защиты источников СВЧ излучения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ тепловой обработки зерновых продуктов электрофизическими методами (патент РФ №2085088, приоритет от 27.07.1997, Чекрыгина И.М. и др.), заключающийся в обработке зерна тепловой энергией, например энергией ИК-излучения, и энергией СВЧ, при этом на первом этапе обрабатываемый продукт в течение 30-90 с нагревают до температуры от 95 до 105°C тепловой энергией без существенного изменения его влагосодержания, а на втором этапе продолжительностью от 20 до 60 с температуру продукта доводят до 120-180°C с помощью электромагнитного поля СВЧ с удельной мощностью не менее 5 кДж/кг·с.
Недостатком указанного способа является то, что обработка производится в два этапа, причем каждый этап нагрева зерновых продуктов осуществляется в различных по конструкции и принципу действия устройствах. В частности, первый этап проходит в устройстве конвективного или ИК-нагрева, обладающего большими тепловыми потерями и недостаточным КПД процесса, а второй этап - в СВЧ камере. При этом в процессе нагрева зерновок на первом этапе неминуемо происходит убыль капиллярной влаги за счет диффузии к поверхностным слоям зерновок. Также при транспортировке зерна ко второму этапу СВЧ нагрева возникают тепловые потери с поверхности зерновок за счет конвекции и процессов испарения влаги. К недостаткам двухэтапного способа также относится значительное усложнение устройства, его реализующего. Это приводит к невозможности получения высокой эффективности технологического процесса при большой скорости нагрева от начальной температуры зерна до 120-180°C.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение производительности технологических процессов обработки зерновой продукции с использованием ЭМП СВЧ, снижение удельных затрат энергии и улучшение качества получаемого конечного продукта, а также получение простого по конструкции устройства для обработки зерновых продуктов, обладающего высокой производительностью, низкими удельными затратами энергии, обеспечивающего высокое качество конечного продукта и безопасного для обслуживающего персонала.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ обработки зерновых продуктов, включающий воздействие на обрабатываемый продукт посредством электромагнитного СВЧ поля, при этом обрабатываемый продукт вводится в рабочий волновод, в котором создается режим бегущих волн с распределением энергии вдоль его стенок близким к экспоненциальному, посредством радиопрозрачного продуктопровода, продольно расположенного вдоль его оси, при этом ввод энергии СВЧ поля в рабочий волновод осуществляется во встречном направлении относительно направления движения продукта под углом α к его оси, который выбирается из условия 40°≤α≤50°, обработку проводят в один этап продолжительностью не более 2 минут, а мощность электромагнитного излучения, подаваемого в рабочий волновод, составляет не менее 5 кВт.
Для более эффективного проведения процесса при подаче обрабатываемого продукта в рабочий волновод может производиться его дополнительное орошение водой или водосодержащими жидкостями.
Для реализации предлагаемого способа обработки зерновых продуктов предлагается устройство для его осуществления, содержащее СВЧ камеру, оборудованную устройствами загрузки и выгрузки обрабатываемого продукта и электромагнитно связанный с ней источник СВЧ излучения, отличающееся тем, что СВЧ камера представляет собой установленный вертикально прямоугольный волновод, соосно по центру которого расположен продуктопровод, представляющий из себя тонкостенную трубу из прозрачного для СВЧ энергии материала, концы которого выступают с обоих торцов СВЧ камеры, источник СВЧ излучения соединен с СВЧ камерой посредством прямоугольного рупорного волновода, широкий конец которого соединен с нижним торцом СВЧ камеры под углом α к ее оси, который выбирается из условия 40°≤α≤50°, а выступающие с торцов СВЧ камеры концы продуктопровода заключены в отрезки запредельных волноводов круглого сечения, герметично соединенных с СВЧ камерой.
В предлагаемом устройстве в качестве источника СВЧ излучения может быть использован магнетрон.
В предлагаемом устройстве для увеличения эффективности обработки зерновых материалов может быть установлена система предварительного увлажнения обрабатываемого продукта.
В предлагаемом устройстве для удаления избыточного пара, выделяемого зерновыми продуктами в процессе их обработки, может быть установлена система удаления паровоздушной смеси.
В предлагаемом устройстве для подачи обрабатываемого продукта и дальнейшего его транспортирования может быть установлен вертикальный шнековый транспортер.
В предлагаемом устройстве для обеспечения защиты магнетрона от отраженной СВЧ энергии в случае прекращения подачи зерна может быть установлена водяная нагрузка.
Сущность заявляемого устройства для обработки зерновых продуктов состоит в том, что камера СВЧ-нагрева выполнена с бегущими волнами (это камеры с большим коэффициентом затухания мощности электромагнитного поля вдоль волновода и с большим коэффициентом заполнения сечения волновода, как правило, более 0,4) с распределением плотности греющей мощности вдоль волновода близким к экспоненциальному.
В предлагаемом изобретении всю обработку зерновых продуктов проводят в одной конструктивно выполненной СВЧ-камере с бегущими волнами и с распределением энергии вдоль ее стенок близким к экспоненциальному. СВЧ камера представляет собой технологический прямоугольный волновод, внутри по центру которого соосно расположен продуктопровод, представляющий собой тонкостенную трубу, выполненную из прозрачного для СВЧ энергии материала без диэлектрических потерь. Перемещение зернового продукта по продуктопроводу осуществляется встречно по отношению к направлению распространения СВЧ энергии. Энерговыделение электромагнитного поля СВЧ в зерне вдоль трубы не однородно, а происходит согласно экспоненциальному закону, где максимум находится в области ввода СВЧ энергии в частично заполненный зерном прямоугольный волновод, а далее по мере распространения бегущей волны по длине волновода происходит плавное понижение мощности СВЧ излучения. Таким образом, на пологом участке "энергетического профиля" реализуется первый этап нагрева в СВЧ-камере - по мере продвижения зернового продукта обеспечивается его предварительный нагрев до температуры 95-105°C. Восходящий (короткий) участок "энергетического профиля", расположенный в области ввода СВЧ-энергии, соответствует второму этапу нагрева, который представляет из себя высокоинтенсивный объемный нагрев зернового продукта до температуры 120-180°C со скоростью не менее 10°C/сек, при котором происходит закипание капиллярной влаги, резкое возрастание давления паровоздушной смеси внутри зерновок и "взрыв" зерен. Одновременно происходит размягчение и увеличение их объема, разрушение структуры сырого крахмала, образование легко усваиваемых живыми организмами декстринов и полисахаридов.
Для более эффективного проведения процесса при подаче зерна в продуктопровод, может производиться его дополнительное орошение водой или водосодержащими жидкостями, в результате чего в зоне высокоинтенсивного нагрева происходит ее закипание и образование паровоздушной смеси, которая направляется навстречу зерновому потоку. Паровоздушная смесь дополнительно разогревает и увлажняет зерновой продукт, а также способствует образованию на поверхности зерновок плотной крахмальной оболочки в основном за счет внешней влаги, а горячий пар, создавая тепловую завесу, препятствует охлаждению зернового продукта. Таким образом, "взрыв" зерновок и изменение структуры сырого крахмала происходит более эффективно.
Длина СВЧ-камеры, представляющей из себя прямоугольный волновод с закрепленным в нем продуктопроводом, выбирается из условия поглощения СВЧ-энергии в продуктопроводе и составляет от 1 длины волны СВЧ-колебаний до 25 длин волн СВЧ-колебаний.
10
10
Переход от выходного прямоугольного волновода СВЧ-генератора с волной типа H к прямоугольному волноводу с продуктопроводом, в котором основной будет являться Н волна, осуществляется через прямоугольный рупорный волновод, который является согласующим элементом между этими волноводами. Значение КСВН со стороны прямоугольного волновода не более 1,5 достигается выбором угла α и длиной рупорного волновода, которая лежит в пределах от 1 длины волны СВЧ колебаний до 10 длин волн СВЧ-колебаний.
Для осуществления защиты источника электромагнитного излучения в СВЧ-камеру встроена секция с согласованной водяной нагрузкой с коэффициентом стоячей волны в нагрузке (КСВН) не более 1,5 в рабочем диапазоне частот. Нагрузка выполнена в виде радиопрозрачных труб, помещенных в пространство между трубой продуктопровода и стенками волновода. В нагрузке циркулирует вода с расходом, достаточным, чтобы снять поглощаемую ею СВЧ-мощность.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство. Устройство содержит СВЧ генератор 1, соединенный с помощью согласующего рупорного отрезка волновода 2 с вертикально расположенным прямоугольным волноводом 3, к концам которого присоединены запредельные волноводы 10 круглого сечения, внутри прямоугольного волновода 3 соосно по центру размещен продуктопровод 4, выполненный из прозрачного для СВЧ излучения материала без диэлектрических потерь. В прямоугольный волновод 3 встроена секция с согласованной водяной нагрузкой 7. Ввод продукта в продуктопровод 4 осуществляется с помощью загрузочного устройства 5, соединенного с узлом орошения зерна 8, установленных на стороне, противоположной вводу СВЧ-энергии в продуктопровод 4, и шнекового транспортера 9. Зона интенсивного воздействия электромагнитного поля СВЧ, в которой происходит "взрыв" зерновок, располагается на стороне ввода СВЧ-энергии. Рупорный волновод 2 располагается под углом α к оси прямоугольного волновода 3, что определяет характер распределения энергии электромагнитного поля вдоль продуктопровода 4. Для вывода продукта из продуктопровода 4 используется устройство выгрузки обработанного зерна 6.
На фиг. 2 показана часть прямоугольного волновода 3 предлагаемого устройства, выполняющего функцию рабочей СВЧ-камеры с размещенным внутри продуктопроводом 4 и присоединенным посредством рупорного согласующего волновода 2 с источником СВЧ-энергии 1, а также отрезок запредельного волновода круглого сечения 10 и устройство выгрузки обработанного зерна 6.
На фиг. 3 показан график распределения мощности Р электромагнитного поля СВЧ по длине L прямоугольного волновода. Максимум мощности (точка а) приходится на область непосредственного ввода СВЧ энергии в СВЧ-камеру, причем на входе уровень мощности минимален, с последующим плавным нарастанием, что позволяет осуществить предварительный прогрев зерна, и затем резкий скачок температуры в предлагаемом изобретении. На выходе из СВЧ-камеры уровень мощности также минимален (точка b).
Устройство работает следующим образом. Электромагнитная волна от СВЧ-генератора 1 через согласующий рупорный отрезок волновода 2 возбуждает электромагнитные колебания в СВЧ-камере, образованной прямоугольным волноводом 3, внутри которого соосно по центру размещен продуктопровод 4, по которому движется обрабатываемый зерновой продукт встречно по отношению к направлению распространения СВЧ-энергии. В СВЧ-камере 3 устанавливается режим бегущих волн с большим затуханием мощности ЭМП и распределением энергии, близким к экспоненциальному закону. При этом одновременно моделируются два этапа нагрева. На пологом участке "энергетического профиля", соответствующем первому этапу нагрева, обеспечивается предварительный нагрев до температуры 95-105°C. На восходящем (коротком) участке, в конце зоны перемещения продукта в продуктопроводе осуществляется высокоинтенсивный объемный нагрев зерна до температуры 120-180°C со скоростью не менее 10°C/сек. Следствием такого нагрева является закипание капиллярной влаги, резкое возрастание давления паровоздушной смеси внутри зерновок и "взрыв" зерен. Одновременно происходит размягчение межклеточных перегородок и увеличение объема зерновок, разрушение структуры сырого крахмала, образование легко усвояемых декстринов и полисахаридов. Для повышения эффективности процесса зерновой продукт в предлагаемой установке подвергается дополнительной влаготепловой обработке, для чего происходит его орошение водой или водосодержащими жидкостями перед подачей в рабочую камеру. В зоне высокоинтенсивного нагрева происходит закипание воды, доставленной на поверхности зерновок, и образование паровоздушной смеси, которая направляется навстречу движения зернового продукта, дополнительно разогревает и увлажняет его, что способствует образованию на поверхности зерновок плотной крахмальной оболочки за счет принесенной влаги. Таким образом, "взрыв" зерновок и изменение их структуры происходит более эффективно, в том числе при более низком содержании влаги в зерне, поступающем на обработку. Загрузочное устройство 5 и устройство выгрузки 6, а также шнековый транспортер 9 обеспечивают требуемый режим обработки продукта и производительность установки. Запредельные волноводы 10 круглого сечения, присоединенные к концам СВЧ-камеры, выполняют функцию защиты от «просачивания» энергии СВЧ во внешнее пространство.
В соответствии с предлагаемым изобретением была изготовлена установка для обработки зерновых материалов. Был использован прямоугольный волновод сечением 516×312 мм, внутри которого был закреплен продуктопровод круглого сечения диаметром 175 мм, изготовленный из фторопласта. В качестве источника СВЧ-энергии был использован магнетрон мощностью 30 кВт, который был подключен посредством согласующего волновода, соединенного с рабочим волноводом под углом α=46°. При воздействии посредством СВЧ-энергии мощностью 26 кВт в зоне интенсивного нагрева в течение 30 секунд предлагаемым способом было получено «взорванное зерно» высокого качества, причем процент выхода составил более 90%.
Таким образом предлагаемое изобретение позволяет реализовать простой способ обработки зерновой продукции с использованием ЭМП СВЧ, обладающий увеличенной производительностью, снижением удельных затрат энергии и улучшением качества получаемого конечного продукта, а также получение простого по конструкции устройства для обработки зерновых продуктов, обладающего высокой производительностью, низкими удельными затратами энергии, обеспечивающего высокое качество конечного продукта и безопасного для обслуживающего персонала.