Способ и аппарат СВЧ-вакуумной сушки пищевого продукта
METHOD AND APPARATUS FOR MICROWAVE-VACUUM DRYING OF A FOOD PRODUCT

Область техники
Настоящее изобретение относится к области пищевой, химической и смежными с ними отраслями промышленности и может быть использовано при обработке пищевого продукта токами сверхвысокой частоты (сверхвысокочастотным излучением) с применением вакуума.
Уровень техники
Известно, что процесс сушки пищевого сырья или продуктов в вакуумной камере характеризуется большей эффективностью и делает возможным проведение сушки при пониженных температурах. Известно также, что при сушке объекта под воздействием сверхвысокочастотного излучения (СВЧ-излучения) пищевой продукт прогревается не только с поверхности, но и по его объему, что также позитивно сказывается на эффективности процесса, а именно, сокращает время разогрева пищи. Однако сушильная камера быстро заполняется водяным паром, в результате чего на более холодных частях осушаемого пищевого продукта и частях сушильной камеры образуется конденсат, приводящий к замедлению процесса сушки. Некоторые известные технические решения предполагают сбор и отвод конденсата в конденсатоприемники.
Объединение двух техник – СВЧ-нагрева водосодержащих продуктов и их вакуумной дегидратации в рамках одного технологического процесса, приводит к интенсификации процесса сушки и более быстрому удалению влаги из основной массы продукта. Известен способ сушки плодово-ягодного сырья, преимущественно, замороженного, раскрытый в патенте на изобретение РФ № 2 322 067 (опубл. 20.04.2008). Известный способ предполагает проведение сушки предварительно размороженного сырья в аппарате с СВЧ-энергоподводом и вакуумом. Однако, как было отмечено ранее, в ходе СВЧ-вакуумной сушки из продукта выделяется влага в виде конденсата, который замедляет процесс сушки продукта.
Известен способ обработки сухого черного чая, сухого чайного сырья, раскрытый в патенте на изобретение РФ № 2 683 474 (опубл. 21.03.2018). Известный способ включает стадию дополнительной сушки, на которой пищевой продукт (сухой черный чай) подвергают термическому воздействию электромагнитным полем СВЧ в сушильной камере с постоянным давлением.
Как и в случае обычной СВЧ сушки, существуют примеры технических решений, в которых предложены сбор и отвод пара для конденсирования влаги. Известна вакуумно-электромагнитная сушилка древесины, раскрытая в патенте на изобретение РФ № 2 133 933 (опубл. 27.07.1999). Известная сушилка содержит сушильную камеру, генератор электромагнитной энергии, устройство вводы электромагнитной энергии и вакуумный насос. Для сбора и отвода образующейся при сушке продукта влаги используется система конденсации пара. Аналогичным образом за счет применения системы конденсации пара отвод влаги осуществляется в установке вакуумной сублимационной сушки, раскрытой в патенте на изобретение РФ № 2 203 459 (опубл. 27.04.2003). Также известен способ вакуумной сушки продуктов растительного и животного происхождения, раскрытый в патенте на изобретение РФ № 2 151 984 (опубл. 27.06.2000). Известный способ предполагает размещение продукта в вакуумной камере и его нагрев СВЧ-энергией. Вода, испаряющаяся из объема продукта при его сушке, поступает в систему водяного охлаждения.
Известны способ и устройство для обработки сельскохозяйственной продукции, раскрыты в патенте на изобретение РФ № 2 242 906 (опубл. 29.08.2002). Известный способ предусматривает загрузку в камеру сырьевого материала, создание вакуума, обеспечение прогрева с использованием СВЧ-излучения и конденсацию пара.
Однако все эти решения характеризуются существенным недостатком – удаление водяного пара при поддержании пониженного давления происходит за счет его вытеснения из всего рабочего объема камеры вновь образующимся паром из продукта. При этом водяной пар неизбежно контактирует с менее нагретыми частями продукта и особенно стенками и элементами конструкции установки, которые не подвержены СВЧ нагреву (что является одним из ключевых параметров высокой эффективности СВЧ технологий). Надо отметить, что в случае других методов нагрева установка нагревается вместе с продуктом и конденсации влаги не происходит.
Известен способ дегидратации пищевого продукта и вакуумное микроволновое устройство, раскрытые в патенте на изобретение РФ № 2 442 084 (опубл. 10.02.2012, заявка PCT WO 2008/094806, опубл. 07.08.2008). Известный способ предполагает размещение пищевого продукта растительного происхождения в кольцевую область вращающейся карусели и по мере вращения карусели дегидратируют пищевой продукт в вакуумном СВЧ-устройстве. Вращающаяся карусель имеет множество перегородок, поверхности которых могут быть выполнены перфорированными. За счет выполнения перфорации в перегородках, образующийся в ходе дегидратации продукта пар легче удалять. Однако конденсат по-прежнему может образовываться на более холодных поверхностях внутри вакуумного СВЧ-устройства, что приведет к замедлению процесса сушки.
Таким образом, только пассивное удаление паров воды из объема камеры поддержанием регламентированного пониженного давления (низкого, среднего или высокого вакуума) не способно предотвратить конденсацию влаги на холодных частях сушильной камеры и менее нагретых частях осушаемого продукта, в частности, его упаковке. Это, в свою очередь, повышает риски для безопасной эксплуатации оборудования, снижает качество продукта, получаемого на выходе процесса, и существенно повышает риски ухудшения качественных характеристик продукта, в том числе, риск микробиологического загрязнения.
Раскрытие сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена техническая задача создания простого и надежного технического средства для проведения эффективного процесса сушки пищевых продуктов.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в ускорении процесса сушки пищевых продуктов.
В первом аспекте изобретения раскрыт способ СВЧ-вакуумной сушки пищевого продукта, в котором внутри вакуумной сушильной камеры размещают пищевой продукт и подвергают его СВЧ-нагреву в вакууме, при этом в отличие от прототипа одновременно с СВЧ-нагревом продукта в вакууме проводят повторяющуюся операцию ввода-отвода контролируемой порции газа из упомянутой камеры, причем этот газ вводят внутрь камеры снизу относительно размещенного в ней продукта, а отводят сверху относительно него.
Во втором аспекте настоящего изобретения раскрыт аппарат СВЧ-вакуумной сушки, состоящий из предназначенной для размещения пищевого продукта вакуумной сушильной камеры, по меньшей мере одного источника СВЧ-излучения, выполненного с возможностью возбуждения СВЧ-поля внутри упомянутой камеры, газораспределительной системы, которая выполнена с возможностью ввода газа внутрь камеры снизу относительно размещенного в ней продукта, и газоотводной системы, которая выполнена с возможностью отвода введенного в камеру газа сверху относительно размещенного в ней продукта и обеспечения внутри камеры вакуума.
Настоящее изобретение проиллюстрировано ФИГ.1 и ФИГ.2, где представлены схематические изображения аппарата СВЧ-вакуумной сушки.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Обработка материалов с помощью СВЧ демонстрирует большое количество перспективных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями нагрева, например, улучшенное качество изделия, сокращение времени процесса, экономию энергии и затрат на энергию благодаря более высокому КПД, снижение уровня загрязнения окружающей среды и расходов на содержание оборудования и более высокую гибкость установки.
В традиционном процессе нагрева источниками нагрева служат, например, нагревательные элементы, сопротивления и инфракрасные лучи. Благодаря температурному излучению и/или конвективному теплообмену их энергия передается на поверхность материала и оттуда переходит в его внутреннюю часть. Теплопроводность, адсорбция и удельная теплоемкость материала определяют при этом процесс нагрева. Чувствительные материалы при определенных обстоятельствах не допускают высокую температуру, и если материал обладает еще и плохой теплопроводностью, то в этом случае неизбежен длительный процесс и перегрев материала, поэтому при производстве определенных изделий с применением традиционных технологий нагрева устанавливают границы.
СВЧ-нагрев отличается от традиционных систем нагрева за счет того, что тепло напрямую генерируется в объеме материала. В печи происходит диэлектрический нагрев веществ, содержащих полярные молекулы. Электрическая компонента электромагнитных волн усиливает движение молекул, обладающих дипольным моментом, и межмолекулярное трение приводит к увеличению температуры вещества. Скоростью распространения СВЧ является скорость света в вакууме или в воздухе. Если СВЧ-источник включен, то он непосредственно присутствует в нагреваемом теле и сразу же начинает преобразование энергии. При быстром отключении процесс нагрева сразу прекращается. Не существует длительных процессов нагрева и охлаждения печи. Неполярные материалы (например, воздух, тефлон, кварцевое стекло) не могут преобразовывать энергию и, тем самым, их не нагревают. Микроволны проникают через эти материалы, но не ослабевают при этом (без преобразования энергии). В общем, нагреваемый материал, который в состоянии провести преобразовании энергии, рассматривают в качестве «нагревателей», так как материал сам по себе представляет источник нагрева.
Для целей настоящего изобретения под пищевым продуктом понимается значительная группа продуктов растительного происхождения, употребляемых человеком в пищу или используемых для улучшения вкусовых и ароматических качеств продуктов питания. Такие продукты могут быть представлены зерном, крупами, специями, ягодами, фруктово-травяным сырьем, чаем, чайными листьями, полуфабрикатами чая, но не ограничиваются лишь этими примерами пищевых продуктов.
Под СВЧ-нагревом понимается процесс, в котором энергия с частотой от 300 МГц до 300 ГГц проникает в нагреваемый материал в качестве электромагнитной волны с длиной волны в диапазоне от 1 м до 1 мм, а затем преобразуется в тепло.
Заявленный способ СВЧ-вакуумной сушки пищевого продукта осуществляют следующим образом.
Внутри вакуумной сушильной камеры 1 на решетчатом поддоне 2 размещают пищевой продукт 3. В частности, размещаемый пищевой продукт 3 может быть помещен в упаковку, например, в тканевый мешок, или быть расфасованным в мелкую тару, в случае если пищевой продукт представлен чаем, то это могут быть чайные пакетики. Перед тем как подвергнуть пищевой продукт 3 СВЧ-нагреву, в камере 1 обеспечивают пониженное давление при помощи вакуумного насоса.
Конфигурацию сушильной камеры 1 и схему расположения в ней применяемых для СВЧ-нагрева источников СВЧ-излучения подбирают таким образом, чтобы обеспечить равномерность воздействия СВЧ-излучения на осушаемый пищевой продукт 2.
3
0
Предпочтительно обеспечиваемое внутри сушильной камеры 1 давление при сушке характеризуется значениями, находящимися вблизи середины интервала значений, характерных для условий низкого вакуума. В соответствии с государственным стандартом ГОСТ 5197-85 «Вакуумная техника. Термины и определения», таковыми являются значения, входящие в диапазон от 100 кПа до 100 Па (10…10 мм. рт .ст.).
В качестве источников электромагнитного СВЧ-излучения используют высоковольтные вакуумные приборы – магнетроны 5. Магнетроны 5 могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Микроволны поступают в сушильную камеру 1 по волноводу – каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. Предпочтительно стенки сушильной камеры 1 выполняют также металлическими для того, чтобы обеспечить отражение и направление микроволн на продукт 3, тем самым избежать энергетических потерь и не подвергнуть СВЧ-излучению обслуживающий персонал.
9
Пищевой продукт 3 нагревается благодаря присутствию в нем дипольных молекул воды, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом - отрицательный. Под воздействием электрического поля дипольные молекулы выстраиваются по его силовым линиям. При частоте колебаний в 1000 МГц электрическое поле 2*10 раз в секунду меняет свое направление и с такой же частотой меняется ориентация молекул воды. В результате таких колебаний происходит нагрев продукта 3 и испарение воды.
При совместном применении технологий СВЧ-нагрева и вакуумной сушки, повышается скорость нагрева продукта 3 и интенсивность выделения влаги из него. Это приводит к быстрому заполнению сушильной камеры 1 парами воды. Влага частично конденсируется на более холодных стенках и механизмах камеры 1, а также частях осушаемого продукта 3, оказывающихся более холодными по причине сохраняющейся неравномерности нагрева. Пассивное удаление паров воды в условиях вакуума не способно предотвратить конденсацию влаги на холодных частях камеры 1 и менее нагретых частях продукта 3 и, в частности, его упаковке. Это приводит к повышению риска для безопасной эксплуатации оборудования, отрицательно влияет на равномерность сушки, снижает потребительские качества получаемого продукта и его стандартизированные характеристики, в том числе, может привести к возникновению риска микробиологического загрязнения.
Для того чтобы повысить качество сушки за счет удаления конденсирующейся внутри сушильной камеры влаги, в настоящем изобретении предложено одновременно с СВЧ-нагревом пищевого продукта в вакууме проводить повторяющуюся операцию ввода-отвода контролируемой порции газа из сушильной камеры 1, при этом газ вводят внутрь сушильной камеры 1 снизу и, в частности, с боков относительно размещаемого в сушильной камере 1 пищевого продукта 3, а отводить сверху относительно него. Для этого сушильная камера 1 дополнительно содержит газораспределительную систему, которая выполнена с возможностью ввода газа внутрь сушильной камеры 1 снизу и, в частности, с боков относительно продукта 3, и газоотводной системой, которая выполнена с возможностью отвода введенного в сушильную камеру газа сверху относительно продукта. При этом частью газоотводной системы является вакуумный насос, обеспечивающий не только отвод введенного внутрь камеры 1 газа, но и обеспечения внутри нее вакуума.
Газораспределительная система включает в себя клапан подачи газа 6 и взаимодействующие с ним перфорированные трубки подачи газа 7, причем трубки 7 размещены внутри сушильной камеры 1 снизу и, в частности, с боков относительно размещаемого в камере 1 пищевого продукта 3. Газоотводная система включает в себя вакуумный насос и взаимодействующие с ним через клапан вакуумной линии вакуумного насоса 4 перфорированные газоотводные трубки 8, причем трубки 8 размещены в камере 1 сверху относительно продукта 3. При этом упомянутый вакуумный насос не только обеспечивает отвод введенного внутрь камеры 1 газа, но и поддержание внутри нее регламентированного уровня вакуума. Использование перфорированных трубок 7 и 8 позволяет равномерно распределять газ по всей длине и соответственно объему камеры 1, и отводить его, исключая возникновение «мертвых» зон, способствующих образованию конденсата на поверхностях камеры 1 и продукта 3. Подача газа через упомянутые трубки снизу и по бокам от осушаемого продукта позволяет создать “газовую трубу” вокруг такого продукта и испаряемой из него влаги, обеспечивая изоляцию оборудования от паров воды и перенос влаги непосредственно в газоотводные трубки.
Необходимо отметить, что такое решение позволяет заменить широко распространенное перемешивание осушаемых продуктов в перфорированном барабане при СВЧ сушке, как это, например, раскрыто в патенте РФ № 2 442 084, на статичное расположение продуктов внутри камеры. В предлагаемом способе равномерность нагрева, удаление влаги и эффективность сушки обеспечивается стабильным уносом паров воды из камеры 1, с поверхности продукта 3 и переносом влаги из внутренних регионов осушаемого продукта 3 к его поверхности за счет разности парциальных давлений паров воды по толщине прогреваемого материала.
В качестве вводимого внутрь сушильной камеры 1 газа может быть использован атмосферный воздух, азот или другой инертный газ или углекислый газ, если необходимо исключить окислительные процессы во время сушки, или водяной пар. Также возможен вариант подачи увлажненного воздуха, если стоит задача удаления неприятной ароматики с поверхности и объема продукта – молекулы воды вытесняют нежелательные привкусы из продукта, которые уносятся с общим объемом газа. В этом случае степень увлажненности воздуха не должна быть большой, чтобы, кроме удаления нежелательных ароматических соединений, конечный продукт также потерял и собственную влагу до необходимых значений влажности.
Режим ввода газа и его отвод из сушильной камеры 1 подбирают таким образом, чтобы добиться уноса всей влаги, выделяющейся из продукта в виде пара без конденсации ее в жидком виде. Для этого при проведении сушки необходимо соблюдать следующие требования:
– уровень мощности вакуумного насоса либо поддерживают постоянным, либо повышают;
– объем контролируемой порции газа, вводимого внутрь сушильной камеры 1, может быть уменьшен или сохранен постоянным;
– допускают увеличение давления в сушильной камере 1 при обработке продукта СВЧ излучением не более чем на 5 - 7,5 кПа.
Время сушки зависит от количества загруженного сырья и глубины создаваемого вакуума. Пищевой продукт сушат до значений влажности 3-8%.
Для обеспечения автоматизации технологического процесса, аппарат СВЧ-вакуумной сушки может быть выполнен с возможностью задания режимов операции ввода-отвода газа в/из сушильной камеры, например, с использованием предварительно созданной программной библиотекой режимов.
Сущность настоящего изобретения проиллюстрирована несколькими примерами, которые не должны быть истолкованы как ограничивающие его объем, но призваны сделать его более ясным для специалиста.
Пример 1: Сушка гранулированного черного чая
В аппарат на решетчатый поддон помещают 50 кг гранулированного черного чая, упакованного в 2-х слойный тканый полипропиленовый мешок. Начальная влажность чая составляла 10%.
Открывают клапан подачи газовой смеси на 100% и включают вакуумный насос на 20% мощность. Постепенно закрывают клапан подачи газовой смеси до тех пор, пока давление в аппарате достигнет 70,9 кПа.
Фиксируют клапан подачи.
Включают магнетроны на 1 минуту, и в течение этого периода повышают мощность вакуумного насоса на 2%.
Затем выключают магнетроны и через 1 минуту включают магнетроны на 1 минуту и повышают мощность вакуумного насоса еще на 2%.
Повторяют цикл в течение 25 раз.
Затем выдерживают, поддерживая достигнутое минимальное давление, в течение 10 мин.
Затем выключают вакуумный насос и ждут повышения давления в камере до текущего атмосферного давления (10 мин). Достают мешок с продуктом и оставляют охлаждаться при комнатной температуре в сухом проветриваемом помещении.
Конечная влажность чая составляла 4%.
Пример 2: Сушка листового черного чая
В аппарат на решетчатый поддон помещают 20 кг листового черного чая, упакованного в тканый полипропиленовый мешок. Начальная влажность чая составляла 8%.
Открывают клапан подачи газовой смеси на 100% и включают вакуумный насос на 10% мощность. Постепенно закрывают клапан подачи газовой смеси до тех пор, пока давление в аппарате достигнет 50,6 кПа.
Фиксируют клапан подачи.
Включают магнетроны на 1 минуту, и в течение этого период повышают мощность вакуумного насоса на 5%.
Затем выключают магнетроны и через 2 минуты включают магнетроны на 1 минуту и повышают мощность вакуумного насоса еще на 5%.
Повторяют цикл в течение 8 раз.
Затем выдерживают, поддерживая достигнутое минимальное давление, в течение 10 мин.
Затем выключают вакуумный насос и ждут повышения давления в камере до текущего атмосферного давления (10 мин). Достают мешок с продуктом и оставляют охлаждаться при комнатной температуре в сухом проветриваемом помещении.
Конечная влажность чая составляла 3%.
Пример 3: Сушка СТС черного чая
В аппарат на решетчатый поддон помещают 25 кг СТС черного чая, упакованного в тканый полипропиленовый мешок. Начальная влажность чая составляла 9%.
Включают вакуумный насос на 100% мощность при полностью закрытом клапане подачи газовой смеси и ожидают до тех пор, пока давление в аппарате достигнет 5 кПа.
Затем постепенно открывают клапан подачи газовой смеси до достижения стабильного давления 10,1 кПа и включают магнетроны до тех пор, пока давление не повысится до 15,5 кПа. Затем выключают магнетроны и ждут падения давления до 10,1 кПа и повторяют цикл 12 раз.
Выдерживают, поддерживая достигнутое минимальное давление, в течение 10 мин.
Выключают вакуумный насос и ждут повышения давления в камере до текущего атмосферного давления (10 мин). Достают мешок с продуктом и оставляют охлаждаться при комнатной температуре в сухом проветриваемом помещении.
Конечная влажность чая составляла 4%.
Пример 4: Сушка пакетированного черного чая
В аппарат на решетчатый поддон помещают 15 кг черного чая, упакованного в бумажные пакетики и фасованного в коробки по 100 пакетиков. Начальная влажность чая составляла 11%.
Включают вакуумный насос на 15% мощность при полностью открытом клапане подачи газовой смеси. Постепенно закрывают клапан подачи газовой смеси до тех пор, пока давление в аппарате достигнет 506 кПа.
Включают магнетроны на 30 секунд, отключают на 1 минуту и повторяют цикл 10 раз.
Затем выключают вакуумный насос и ждут повышения давления в камере до текущего атмосферного давления (10 мин). Достают мешок с продуктом и оставляют охлаждаться при комнатной температуре в сухом проветриваемом помещении.
Конечная влажность чая составляла 6%.
Пример 5: Сушка свежего листа травяного чая
В аппарат на решетчатый поддон помещают 20 кг свежего листа травяного чая, упакованного в тканый полипропиленовый мешок. Начальная влажность чая составляла 70%.
Открывают клапан подачи газовой смеси на 20% и включают вакуумный насос на 20% мощность.
Включают магнетроны на 1 минуту, и в течение этого период повышают мощность вакуумного насоса на 2% и закрывают клапан подачи газовой смеси на 2%.
Затем выключают магнетроны и через 2 минуты включают магнетроны на 1 минуту, повышают мощность вакуумного насоса еще на 2% и закрывают клапан подачи газовой смеси на 2%.
Повторяют цикл в течение 40 раз.
Затем выдерживают, поддерживая достигнутое минимальное давление, в течение 30 мин.
Затем выключают вакуумный насос и ждут повышения давления в камере до текущего атмосферного давления (10 мин). Достают мешок с продуктом и оставляют охлаждаться при комнатной температуре в сухом проветриваемом помещении.
Конечная влажность чая составляла 8%.
Конкретные технические параметры, характеризующие процесс сушки пищевого продукта в соответствии с настоящим изобретением в сравнении с другими широко распространёнными методами сушки, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение различных способов сушки
Наименования показателей
Сушка ИКВ
Конвективная сушка
Сублимационная сушка
СВЧ-сушка
Сушка в соответствии с заявленным изобретением
Время сушки (час)
До 4
8-10
10-20
До 4
1
Достигаемая остаточная влажность, %
3-4
8
3,5
2,5-4
3-8
Способность к хранению
Более 1 года
0,3-0,5 года
Более 1 года
Более 1 года
Более 1 года
Таким образом, с помощью небольшого и недорогого конструктивного изменения получены эффективные способ и устройство СВЧ-вакуумной сушки пищевых продуктов, лишенные недостатков, возникающих из-за конденсации влаги при интенсификации процессов сушки.
Предложенное техническое изменение обеспечивает решение нескольких задач одновременно:
– обеспечение постоянства движущей силы процесса СВЧ-сушки – разности концентраций паров воды в центре объёма продукта и на его поверхности
– унос влаги с приповерхностных слоев продукта;
– предотвращение конденсации влаги на внутренней поверхности сушильной камеры;
– прогрев материала именно в тех областях, где наиболее высока влажность и сушка требуется в первую очередь;
– равномерные прогрев и распределение остаточной влаги по объему продукта;
– уменьшение времени и энергозатрат на сушку единицы материала;
– снижение риска локального перегрева продукта.
Перечень позиций на чертежах
1
Вакуумная сушильная камера
2
Решетчатый поддон
3
Пищевой продукт
4
Клапан вакуумной линии вакуумного насоса
5
Магнетрон
6
Клапан подачи газа
7
Перфорированные трубки подачи газа
8
Перфорированные газоотводные трубки