СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СУШИЛЬНОГО АГЕНТА ПРИ СУШКЕ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD FOR DETERMINING MAXIMUM TEMPERATURE OF DRYING AGENT WHEN DRYING THERMOLABILE PRODUCTS

Изобретение относится к пищевой, химической и другим смежным отраслям промышленности, и может быть использовано в научных исследованиях при разработке новых технологий сушки термолабильных продуктов для определения максимально допустимой температуры сушильного агента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения максимальной температуры сушильного агента при сушке дисперсных продуктов [Патент RU №2230267, «Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов»,  авторы Арапов B.M., Шахов С.В., Арапов М.В., Моисеева И.С., Янпольская Н.А., опубликованный 10.06.2004 г.], предусматривающий определение максимальной температуры и продолжительности нагрева продукта экспериментальным путем, на проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта, при обеспечении качественных показателей образцов в пределах, установленных соответствующим стандартом, и при условии, что температура нагрева продукта и продолжительность выдержки в процессе сушки не превышают соответствующих значений при испытании образцов.
Недостатком данного способа является длительность определения максимальной температуры за счет проведения большого количества испытаний и недостаточная точность при определении максимальной температуры сушильного агента, так как испытания осуществляются с определенным шагом увеличения температуры сушильного агента.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов, снижение трудоемкости и интенсификация процесса ее определения.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе определения максимальной температуры сушильного агента, предусматривающем определение максимальной температуры и продолжительность нагрева продукта экспериментальным путем, основанным на проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта, при обеспечении качественных показателей образцов в пределах, установленных соответствующим стандартом, и при условии, что температура нагрева продукта и продолжительность выдержки в процессе сушки не превышают соответствующих значений при испытании образцов, новым является то, что для экспериментов используют две партии образцов термолабильных продуктов, подвергают их сушке, причем в первой партии образцов определяют продолжительность сушки через каждые 10С° до конечной влажности продукта, а во второй - максимальную продолжительность сушки, при которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующим стандартом, затем на основании полученных данных строят совмещенный график зависимостей продолжительности сушки до конечной влажности и максимальной продолжительности сушки от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по точке пересечения этих графиков определяют максимально допустимую температуру сушильного агента для каждого конкретного термолабильного продукта.
Технический результат заключается в повышении качества готового продукта, точности определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов, интенсификация процесса ее определения и возможность использования полученных результатов для выбора температурного режима сушки.
Способ определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов осуществляется следующим образом.
Для экспериментов используют две партии образцов термолабильных продуктов, подвергают их сушке, причем в первой партии образцов определяют продолжительность сушки через каждые 10С° до конечной влажности продукта, а во второй - максимальную продолжительность сушки, при которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующим стандартом, затем на основании полученных данных строят совмещенный график зависимостей продолжительности сушки до конечной влажности и максимальной продолжительности сушки от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по точке пересечения этих графиков определяют максимально допустимую температуру сушильного агента для каждого конкретного термолабильного продукта (точка А на фиг.1).
В процессе сушки термолабильных продуктов под воздействием теплоты происходит не только испарение влаги, но и распад ценных или накопление вредных компонентов. С одной стороны, сушку необходимо осуществлять до тех пор, пока влажность продукта снизится до требуемого значения. С другой стороны, процесс сушки необходимо прекратить, если распад ценных (накопление вредных) компонентов достигнет максимального значения, допустимого соответствующим стандартом.
Таким образом, с одной стороны, качественные показатели должны соответствовать следующему выражению
β≥βс (1),
где βс - максимальное количество распавшегося ценного (накопление вредного) компонента, разрешенное стандартом; β - текущее количество распавшегося ценного (накопившегося вредного) компонента в процессе сушки в момент времени τ.
С другой стороны, условие сушки, при которой продукт соответствует установленному стандарту, можно записать
с
max
τ≤τ (2),
max
с
с
где τ - максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Т; τ- продолжительность сушки продукта до конечной влажности.
Для определения максимальной температуры сушильного агента на основании условий (1), (2), необходимо установить закономерность кинетики распада ценных (накопление вредных) компонентов под воздействием теплоты в процессе сушки.
При этом будем исходить из следующих положений.
1. При тепловом воздействии на продукт в процессе сушки в нем происходит распад ценных компонентов или накопление вредных компонентов. В общем случае будем называть потерю компонентом своих начальных (нативных) свойств под воздействием теплоты его переходом в активированный комплекс. Максимальное количество компонента, перешедшего в активированный комплекс, не должно превышать значения, установленного соответствующим стандартом на продукт.
2. Скорость перехода компонента в активированный комплекс определяется законами кинетики химических реакций.
3. Средняя по объему температура материала, которую он приобретает в процессе сушки, является функцией температуры сушильного газа; в первом приближении примем ее среднеинтегральное значение в интервале всего времени сушки пропорциональной температуре сушильного газа.
i
max
Рассмотрим пищевой продукт, содержащий несколько термолабильных компонентов. Пусть, согласно действующему стандарту на продукт, максимальное количество каждого из этих компонентов, перешедших в активированный комплекс под воздействием теплоты, не превышает соответственно М . Скорость перехода в активированный комплекс i -ого компонента определим законом кинетики химических реакций в виде
i
н
н
-]
i
i
i
i
i
где f(α') - функция степени превращения i-го компонента; К - константа скорости реакции i-го компонента, с; α=М/М - степень превращения i-го компонента; М, М  - масса (концентрация) в момент времени τ и начальная масса i-го компонента, кг/кг.
Константа скорости распада ценного (накопление вредного) компонента представляется уравнением Эйринга (Жоли М. Физическая химия денатурации белков. - М.: Мир, 1968. - 364 с.)
где ΔF - увеличение свободной энергии, Дж/моль; k - постоянная Больцмана, Дж/К; h - постоянная Планка, Дж·с; R - газовая постоянная, Дж/(кг·К); Т(τ) - температура материала в момент времени τ, К.
Функция степени превращения ценного (накопления вредного) компонента представляется уравнением:
f(а)=(1-a)″, (5)
где n - порядок реакции распада компонента.
Экспериментальные исследования тепловой денатурации белков, инактивации микроорганизмов и термический распад других термолабильных компонентов пищевых продуктов часто соответствует реакции первого порядка. Тогда из уравнений (4) и (5) следует
с
Поскольку температура материала Т(τ) в процессе сушки пропорциональна температуре сушильного агента Т, то можно допустить равенство
где z - коэффициент, 1/(с·К); b - коэффициент, К.
с
Из уравнения (7) определим максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Т, соответствующее максимально допустимой стандартом степени превращения компонента.
mах
с.
,
Уравнение (8) определяет формулу зависимости τот абсолютной температуры сушильного агента ТДля установления этой зависимости требуется провести не менее 2-х экспериментов для вычисления коэффициентов b и z что в отличие от существующих методов позволяет уменьшить количество экспериментов. Данное уравнение позволяет проверить правильность способа определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов.
с
max
Значения коэффициентов z и b определяют экспериментально, измеряя в каждом опыте значения температуры сушильного агента Т и продолжительность сушки τ до максимального значения степени превращения α. Степень распада определяется по формуле
0
где с - начальное количество ценного (вредного) компонента; с - текущее количество распавшегося ценного (накопившегося вредного) компонента в процессе сушки в момент времени τ.
При эксплуатации промышленных сушильных аппаратов возникает проблема оптимизации температурного режима сушки. Предлагаемый способ позволяет определить максимальную температуру сушильного агента, при которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующим стандартом.
Способ поясняется следующим примером.
с
Для реализации данного способа были использованы экспериментальные данные продолжительности процесса сушки моркови и экспериментальные данные максимально допустимого времени обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Т в сушильной установке виброкипящего слоя (температура сушильного агента - 70…120°С, частота вибрации - 95 Гц, скорость воздуха - 1,2…2 м/с), которые приведены соответственно в таблице 1 и таблице 2, их графическая иллюстрация представлена на чертеже. В экспериментальных исследованиях использовалась морковь сорта Нантская, тонко измельченная на центробежной машине-терке и частично обезвоженная при центрифугировании до влагосодержания 5 кг/кг. На чертеже приведены кривые: 1 - зависимость продолжительности времени сушки от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента полученная экспериментальным путем и 2 - зависимость максимальной продолжительности сушки, при которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующим стандартом, от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента, полученной экспериментальным путем.
Результаты опытов подтверждают правомерность формулы (1) и дают возможность сравнительно небольшим количеством экспериментов определить максимальную температуру сушильного агента при сушке термолабильных продуктов в сушильной установке определенной конструкции.
Как видно из примера, таблиц 1 и 2 данный способ определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов можно использовать для определения максимальной температуры сушильного агента, повышать его точность, интенсифицировать процесс ее определения, снизить трудоемкость этого процесса и дать возможность использования полученных результатов для выбора температурного режима сушки и тем самым повысить качество готовой продукции.
Предлагаемый способ определения максимальной температуры сушильного агента при сушке термолабильных продуктов может быть использован в химической, пищевой и других смежных отраслях промышленности, в научных исследованиях при разработке новых технологий сушки и позволяет определять максимальную температуру сушильного агента при сушке любых термолабильных продуктов в сушильной установке любого типа, интенсифицировать этот процесс, снизить его трудоемкость. Данный способ дает возможность использования полученных результатов для выбора температурного режима сушки, тем самым, повышая качество готовой продукции.
Таблица 2
№ п/п
Температура сушильного агента Тс, К
Время воздействия,мин
Содержание β - каротина по ГОСТ7588-71, мг
1
343
26,6
40
2
353
16,2
40
3
363
10,1
40
4
373
6,5
40
5
383
4,2
40