СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЖАРЕННЫХ ЗЕРНОПРОДУКТОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF FRIED CEREAL PRODUCTS

Изобретение относится к пищеконцентратной промышленности и может быть использовано в линиях переработки зернопродуктов, преимущественно зерен кофе, ячменя, ржи, сои и др.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ [пат. №2328140 RU, МКИ A23L 1/10. Опубл. 10.07.2008. Бюл. №19], предусматривающий предварительный подогрев продукта в камере кондуктивного нагрева в два этапа: на первом этапе - отработанным воздухом и на втором этапе - отработанным перегретым паром, последующую сушку продукта в камере сушки осушенным в испарителе парокомпрессионной теплонасосной установки воздухом и термическую обработку перегретым паром в камере обжарки с промежуточным увлажнением продукта, рекуперативный теплообмен между отработанным перегретым паром и осушенным воздухом, получение пара в парогенераторе и его перегрев в пароперегревателе, сбор образовавшегося конденсата в сборнике конденсата и его частичный отвод в парогенератор и на промежуточное увлажнение продукта в камере обжарки, организацию замкнутых рециркуляционных контуров по воздуху и перегретому пару с выводом неконденсирующихся газов из контура рециркуляции перегретого пара.
Однако известный способ имеет следующие недостатки:
- из-за инерционности процесса конденсации влаги из влажного воздуха на охлаждающей поверхности испарителя, вызванной переключением рабочей и резервной секций с режима конденсации на режим регенерации и наоборот, возможны технологические сбои в поддержании температуры режима при рекуперативном теплообмене между воздухом и отработанным перегретым паром, что приведет к потере экстрактивных веществ, увеличению угара и, как следствие, понижению качества;
- более низкая эксплуатационная надежность парокомпрессионной теплонасосной установки по сравнению, например, с пароэжекторной холодильной машиной из-за наличия подвижных частей компрессора;
- дополнительные энергозатраты, обусловленные необходимостью периодического размораживания «снеговой шубы», образующейся при охлаждении воздуха в испарителе теплонасосной установки;
- не создает перспектив для снижения себестоимости готового продукта и повышения экологической безопасности производства обжаренных зернопродуктов из-за отсутствия возможности использования дешевых хладагентов, к которым относится вода, а также из-за неизбежного уноса в систему дорогостоящего смазочного масла, используемого для движущихся частей парокомпрессионной машины (компрессора);
- не позволяет использовать теплоту низкотемпературного потенциала, в частности бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов, и, как следствие, не создает условий для повышения энергетической эффективности;
- отсутствие возможности повышения производительности из-за необходимости остановок на выполнение плановых технических осмотров и профилактического обслуживания парокомпрессионной теплонасосной установки.
Технической задачей изобретения является обеспечение качества готового продукта в области заданных значений и повышение энергетической эффективности и экологической безопасности, а также интенсификация процесса получения обжаренных зернопродуктов.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе получения обжаренных зернопродуктов, предусматривающем предварительный подогрев продукта в камере кондуктивного нагрева в два этапа: на первом этапе - отработанным воздухом и на втором этапе - отработанным перегретым паром, последующую сушку продукта в камере сушки осушенным воздухом и термическую обработку перегретым паром в камере обжарки с промежуточным увлажнением продукта, рекуперативный теплообмен между отработанным перегретым паром и осушенным воздухом, получение пара в парогенераторе и его перегрев в пароперегревателе, сбор образовавшегося конденсата в сборник конденсата и его частичный отвод в парогенератор и на промежуточное увлажнение продукта в камере обжарки, организацию замкнутых рециркуляционных контуров по воздуху и перегретому пару с выводом неконденсирующихся газов из контура рециркуляции перегретого пара, дополнительный подогрев в конденсаторе отработанного после сушки продукта воздуха перед подачей его на первый этап предварительного нагрева продукта в камере кондуктивного нагрева и его охлаждение и осушение, новым является то, что охлаждение и осушение отработанного воздуха после первого этапа предварительного нагрева продукта в камере кондуктивного нагрева осуществляют в пластинчатом теплообменнике пароэжекторной холодильной машины путем теплопередачи от хладагента, в качестве которого используют воду, к отработанному воздуху, а часть насыщенного пара, полученного в парогенераторе, используют в качестве рабочего пара и под давлением 0,8…1,0 МПа направляют в сопло эжектора, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°C в испарителе пароэжекторной холодильной машины с рециркуляцией хладагента в пластинчатом теплообменнике, образовавшуюся смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,2…0,3 МПа направляют в конденсатор для подогрева воздуха после камеры сушки перед камерой кондуктивного нагрева, при этом часть образовавшегося в конденсаторе водяного конденсата подают в испаритель для пополнения убыли воды, а другую его часть, конденсат, образовавшийся при охлаждении отработанного воздуха в пластинчатом теплообменнике, конденсат, образовавшийся на втором этапе тепловой обработки продукта в камере кондуктивного нагрева, и испарившуюся из продукта влагу в камере кондуктивного нагрева отводят сначала в сборник конденсата, а затем в парогенератор с образованием замкнутого цикла.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества готовой продукции за счет снижения потерь экстрактивных веществ, в снижении энергозатрат, в повышении экологической безопасности за счет снижения величины угара и в интенсификации процесса получения обжаренных зернопродуктов.
На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ получения обжаренных зернопродуктов.
Схема содержит камеру 1 кондуктивного нагрева продукта с греющей двухсекционной поверхностью 2 и 3, камеру сушки 4, парогенератор 5, камеру обжарки 6 с форсунками 7 для подачи воды, эжектор 8, пароперегреватель 9, пластинчатый теплообменник 10, конденсатор 11, емкость 12 для сбора конденсата, испаритель 13, терморегулирующий вентиль 14, теплообменник-рекуператор 15, питающий насос 16, вентилятор высокого давления 17, насосы 18, 20, вентиляторы 19, 21, предохранительный клапан 22. В состав схемы входят также линии для перемещения рабочих сред: 0.2 - влажный продукт, 0.2.1 - подсушенный продукт, 0.2.2 - высушенный продукт, 0.2.3 - обжаренный продукт, 1.2 - хладагент, 1.8 - конденсат, 2.0 - отработанный пар, 2.1 - эжектируемый пар, 2.2 - насыщенный пар, 2.3 - перегретый пар, 2.7 - смесь рабочего и эжектируемого паров, 2.9 - пары испарившейся из продукта влаги, 3.2 - осушенный воздух, 3.3 - отработанный сушильный агент, 5.1 - неконденсированные газы.
Способ получения обжаренных зернопродуктов осуществляется следующим образом.
Зерновое сырье (зерна кофе, ржи, ячменя, сои и т.п.), вымытое и очищенное, подают по линии 0.2 в камеру 1 кондуктивного нагрева, где обеспечивают его равномерное распределение и перемещение по греющей двухсекционной поверхности 2 и 3. За счет теплопередачи между отработанным сушильным агентом, подаваемым из камеры сушки 4 по линии 3.3, и продуктом через греющую поверхность 2 первой секции камеры 1 кондуктивного нагрева происходит предварительный нагрев зернового сырья. Во второй секции греющей поверхности 3 камеры 1 кондуктивного нагрева температуру продукта повышают за счет теплопередачи от отработанного перегретого пара (угара), подаваемого из камеры обжарки 6 через теплообменник-рекуператор 15 по линии 2.0.
Предварительный нагрев продукта при кондуктивном энергоподводе позволяет удалить поверхностную влагу и активизировать последующее удаление адсорбционно-связанной влаги из капиллярно-пористой структуры продукта в процессе последующей конвективной сушки. Образовавшиеся пары испаренной из продукта влаги отводят из камеры 1 кондуктивного нагрева по линии 2.9 и конденсируют в емкости 12 для сбора конденсата.
Продукт после предварительной тепловой обработки в камере 1 кондуктивного нагрева по линии 0.2.1 подают в камеру сушки 4, где его высушивают горячим воздухом. Подготовку (осушение за счет конденсации содержащихся в нем водяных паров) воздуха к сушке осуществляют в пластинчатом теплообменнике 10 пароэжекторной холодильной машины, а его подачу в камеру сушки 4 - вентилятором 19. Необходимую температуру на входе в камеру сушки 4 воздух достигает в теплообменнике-рекуператоре 15 за счет теплоты отработанного перегретого пара, который отводят из камеры обжарки 6 по линии 2.0. Отработанный воздух после сушки продукта дополнительно подогревают в конденсаторе 11 пароэжекторной холодильной машины и по линии 3.3 подают в секцию 2 камеры 1 кондуктивного нагрева.
Пароэжекторная холодильная машина, включающая эжектор 8, испаритель 13, конденсатор 11, пластинчатый теплообменник 10, терморегулирующий вентиль 14, рециркуляционный насос хладагента 18, сборник конденсата 12, питающий насос 16, парогенератор 5 с предохранительным клапаном 22 и вентилятор высокого давления 17, работает по следующему термодинамическому циклу.
В парогенераторе 5 с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном 22 при затрате электроэнергии образуется рабочий пар, который разделяется на два потока.
Один поток под давлением 0,8…1,0 МПа с помощью вентилятора высокого давления 17 направляют в сопло эжектора 8, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°С в испарителе 13 пароэжекторной холодильной машины. Причем потенциальная энергия рабочего пара превращается в кинетическую энергию струи, которая вытекает с большой скоростью, и под действием энергии струи рабочего пара эжектируются пары хладагента из испарителя 13. С помощью насоса 18 осуществляют рециркуляцию хладагента через пластинчатый теплообменник 10, который используют в качестве источника холода для конденсации влаги из отработанного воздуха при его осушении.
Другой поток пара, полученный в парогенераторе 5, с помощью вентилятора 21 подают в пароперегреватель 9, а затем в камеру обжарки 6.
Образовавшуюся смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора 8 с давлением 0,2…0,3 МПа направляют по линии 2.7 в конденсатор 11 для подогрева воздуха после камеры сушки перед камерой кондуктивного нагрева. При этом часть образовавшегося в конденсаторе 11 водяного конденсата подают по линии 1.8 в испаритель 13 для пополнения убыли воды, а другую его часть и конденсат, образовавшийся при охлаждении отработанного воздуха в пластинчатом теплообменнике 10, отводят в сборник конденсата 12. Туда же поступает конденсат, образовавшийся на втором этапе тепловой обработки в камере 1 кондуктивного нагрева, и пары испарившейся из продукта влаги в камере 1 кондуктивного нагрева. После этого конденсат направляется в парогенератор 5, вследствие чего образуется замкнутый цикл.
Отработанный перегретый пар (угар) из камеры обжарки 6 сначала подают в теплообменник-рекуператор 15 по линии 2.0, затем во вторую секцию греющей поверхности камеры кондуктивного нагрева 1, после чего его конденсируют и отводят по линии 1.8 в емкость 12 для сбора конденсата. Неконденсирующиеся газы в объеме 10…12% от массы обрабатываемого продукта выводят из контура рециркуляции перегретого пара через емкость 12 для сбора конденсата по линии 5.1.
В процессе обжарки зерновое сырье подвергают промежуточному увлажнению путем частичной подачи воды из емкости 12 для сбора конденсата с помощью насоса 20 в камеру обжарки 6, где она распыливается форсунками над слоем продукта. При этом снижается величина угара до 10…12%, и, как следствие, уменьшаются потери экстрактивных веществ и увеличивается выход готовой продукции. Продукты терморазложения - канцерогены - непрерывно выводят с неконденсированными газами, создавая при этом экологически безопасные условия в технологии производства обжаренных зернопродуктов высокого качества.
Пример реализации способа
Способ получения обжаренных зернопродуктов реализован на Воронежском экспериментальном комбикормовом заводе в линии производства обжаренного ячменя.
Зерно ячменя, вымытое и очищенное от металломагнитных примесей, подают в камеру кондуктивного нагрева с двухсекционной поверхностью. За счет теплопередачи влажность зерна на выходе из камеры снижается с 22±0,1% до 18,6±0,1%. После предварительной тепловой обработки в камере кондуктивного нагрева ячмень подают в камеру сушки и доводят его влажность до значения 9,3±0,1%. С этой влажностью он подается в камеру обжарки, где за счет периодического увлажнения каждые две минуты в соотношении 1:20 осуществляют подачу воды. Обжаренный ячмень со свойственными ему цветом и ароматом отводят из камеры обжарки с влажностью 3,5±0,1%. Особенность способа заключается в том, что осушение отработанного воздуха осуществляют в пластинчатом теплообменнике пароэжекторной холодильной машины за счет энергии рабочего пара, подаваемого в сопло эжектора под давлением 0,8 МПа, и создания пониженного давления в испарителе 0,0009 МПа и температуры 4°C, что позволяет посредством теплообмена на охлажденной поверхности пластинчатого теплообменника обеспечить конденсацию из отработанного воздуха влаги и снизить его влагосодержание с 0,025 кг/кг до 0,007 кг/кг. Смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,2 МПа направляют в конденсатор для подогрева воздуха после камеры сушки перед камерой кондуктивного нагрева.
Производительность линии, т/ч
16
Температура продукта на выходе из камеры
кондуктивного нагрева, °C
57±0,1
сушки, °C
82±0,1
Температура воздуха на входе в камеру сушки, °C
92±0,1
Температура перегретого пара на входе в камеру
обжарки, °C
280±0,1
Расход перегретого пара, м<sup>3</sup>/с
0,2…0,25
Ниже приведена техническая характеристика пароэжекторной холодильной машины, используемая в линии производства обжаренного ячменя.
Холодопроизводительность, кВт
до 80
Температура кипения хладагента (воды)
в испарителе пароэжекторной холодильной машины, °C
4±0,1
в парогенераторе, °C
170±0,1
Температура воздуха на входе в конденсатор, °C
42±0,1
Коэффициент эжекции на выходе из конденсатора
0,25
Коэффициент теплопередачи, Вт/м<sup>2</sup>·К
12
Площадь охлаждающей поверхности
пластинчатого теплообменника, м<sup>2</sup>
100
Хладагент
Вода
7
Сравнительный анализ известных способов обжарки ячменя с предлагаемым (см. таблицу) показал преимущества заявленного способа [пат. №2328140 RU, МКИ A23L 1/10. Опубл. 10.07.2008. Бюл. №19; Афанасьев В.А. Теория и практика специальной обработки зерновых компонентов в технологии комбикормов [Текст] / В.А.Афанасьев. - Воронеж: Воронежский государственный университет, 2002. - С.71, 77].
Показатели качества
Известные способы
Предлагаемый способ
Кондуктивно-конвективная обжарка
Обжарка на барабанном обжарочном агрегате
По прототипу
Конечная влажность, %
4,0
6,7
4,8±0,2
3,5±0,1
Содержание декстринов, %
14,53
8,06
17,0±0,5
19,21±0,2
Коэффициент перевариваемости протеина
64,0
55,0
68,0±1,0
71,0±0,5
Как видно из таблицы, предлагаемый способ получения обжаренных зернопродуктов по сравнению с прототипом дает возможность:
- снизить конечную влажность на 1,0…1,6% и довести ее значение до 3,5±0,1;
- увеличить содержание декстринов на 1,51…2,91%;
- повысить коэффициент перевариваемости протеина на 1,5…4,5%;
- обеспечить стабильность качества обжаренного ячменя за счет сокращения интервалов отклонения значений показателей качества.
Изменение параметров процесса обжарки за пределами указанных интервалов приведет либо к снижению качества продукта, либо к повышению его себестоимости.
Предлагаемый способ получения обжаренных зернопродуктов позволяет:
- повысить энергетический КПД процесса, обусловленный утилизацией вторичного пара и однородностью используемого теплоносителя и испаряемой влаги;
- повысить эксплуатационную надежность пароэжекторной холодильной машины;
- снизить себестоимость готовой продукции и повысить экологическую безопасность производства обжаренных зернопродуктов за счет использования дешевого хладагента - воды;
- повысить качество обжаренных зернопродуктов за счет снижения потерь экстрактивных веществ;
- снизить удельные энергозатраты на 10-15% за счет рационального использования вторичного тепла;
- интенсифицировать процесс обжарки зернопродуктов.