способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов

Формула изобретения

1. Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов, основанный на определении 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, отличающийся тем, что берут несколько образцов дисперсного продукта, сушку каждого образца проводят при постоянной температуре сушильного агента, но каждый последующий образец высушивают при более высокой температуре, определяя при этом максимальную продолжительность сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующими стандартами, затем на основании полученных данных строят график зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по этому графику определяют область допустимых температурных режимов в виде функциональной связи

где _mах - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта;

а, b - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что область допустимых температурных режимов сушки определяется в виде следующей функциональной зависимости:

где _mах - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта;

с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов и может быть использовано для исследования процесса сушки в пищевой и другой отраслях промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов (Куц П.С., Тутова Э.Г. Сушка микробиологических препаратов. Обзор. Сер. 1. - М.: ОНТИЭИмикробиопром, 1975. – 80 с.), включающий задание температуры и экспозиции нагрева, лежащие в исследованном диапазоне, и определение расчетным путем критерия термо- устойчивости биомассы в виде А=a+b²+с+dt, где а, в, с, d - эмпирические коэффициенты, численные значения которых зависят от природы продукта.

Недостатком данного способа является то, что он основан на статическом или изотермическом методе, не учитывающем динамику изменения температуры в различных слоях продукта, имеющую сложную и трудно определяемую экспериментальным путем зависимость, а также не учитывает условия протекания сушки в промышленных сушильных аппаратах, размеры и состояние продукта.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов с учетом закономерностей процесса сушки в различных сушильных установках и динамики изменения физико-химических и биохимических характеристик высушиваемого продукта, а также повышение его качества и увеличение срока хранения.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов, основанном на определении 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, новым является то, что сушку каждого образца дисперсного продукта проводят при постоянной температуре сушильного агента, но каждый последующий образец высушивают при более высокой температуре, определяя при этом максимальную продолжительность сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующими стандартами, затем на основании полученных данных строят график зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по этому графику определяют область допустимых температурных режимов в виде функциональной связи

или в виде функциональной зависимости

где _mах - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта; а, b, с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

Технический результат заключается в повышении точности определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов с учетом закономерностей процесса сушки в различных сушильных установках и динамики изменения физико-химических и биохимических характеристик высушиваемого продукта, а также в повышении его качества и увеличении срока хранения.

На фиг.1-4 приведены графические иллюстрации примеров, подтверждающих правомерность критериев допустимых температурных режимов сушки пищевых продуктов, например зародыша кукурузы, казеина: на фиг.1 - влияние температурного режима сушки на начало потемнения зародыша кукурузы (снижение исходной всхожести с 65 до 55% после сушки); на фиг.2 - зависимость максимального теплового импульса сушильного агента от его абсолютной температуры при 10% потерях лизина в исходном продукте (снижение исходной всхожести с 65 до 55% после сушки); на фиг.3 - область допустимых температурных режимов сушки казеина, определяемая по максимально допустимой продолжительности сушки казеина сушильным агентом с температурой Т_c; на фиг.4 - область допустимых температурных режимов сушки казеина, определяемая по максимальному тепловому импульсу сушильного агента.

Способ осуществляется следующим образом.

Брали несколько образцов. Сушку каждого образца дисперсного продукта проводили при постоянной температуре сушильного агента.

В каждом последующем испытании увеличивали температуру сушильного агента и определяли максимальную продолжительность сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных стандартом. Затем по данным испытаний строили графические зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по этому графику определяли области допустимых температурных режимов в виде функциональной связи

где _max - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре T_c, в течение которого его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта; а, b - эмпирические коэффициенты для данного продукта,

или в виде функциональной зависимости

где _mах - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта; с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

При этом области допустимых температурных режимов сушки определялись на основе закономерностей кинетики физико-химических изменений в термолабильных компонентах из следующих положений.

В настоящий момент накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал по кинетике и катализу физико-химических, биохимических, структурных и других превращений, происходящих под воздействием теплоты как в органических и биологических, так и неорганических компонентах пищевых продуктов. Анализ этих исследований позволяет сделать общее заключение, что кинетика перехода термочувствительных компонентов из нативного состояния в активированный комплекс определяется законами кинетики химических реакций. Скорость рассматриваемых процессов можно определить или по уравнению Эйринга, или по уравнению Аррениуса.

В процессе сушки тепловое воздействие на продукт приводит к распаду ценных компонентов или образованию вредных веществ. Поэтому в общем случае можно назвать 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 соответствующими стандартами на продукт. Скорость перехода компонента в активированный комплекс определяется законами кинетики химических реакций и свойствами продукта. Средняя температура по объему продукта, которую он приобретает в процессе сушки, является функцией температуры сушильного газа в первом приближении, примем ее среднеинтегральное значение в интервале всей продолжительности сушки пропорциональной температуре сушильного газа.

Рассмотрим пищевой продукт, содержащий несколько термолабильных компонентов, и вывод вышепредложенного уравнения. Пусть согласно действующему стандарту на продукт максимальное количество каждого из этих компонентов, перешедших в активированный комплекс под воздействием теплоты, не превышает соответственно . Скорость перехода в активированный комплекс i-го компонента определим законом кинетики химических реакций в виде

где f(ⁱ) - функция степени превращения i-го компонента; К_i - функция скорости реакции i-го компонента, с^-1; - степень превращения i-го компонента; Мⁱ, - масса (концентрация) в момент времени и начальная масса i-го компонента, кг/кг.

Процесс сушки пищевого продукта при температуре сушильного агента Т_c можно проводить до тех пор, пока количество какого-либо компонента, перешедшего из нативного состояния в активированный комплекс, не достигнет максимума, допускаемого действующим стандартом. Например, сохранение нативной структуры белковых веществ при сушке хлебопекарных дрожжей должно обеспечивать необходимый уровень мальтазной и зимазной активности, а при получении сухих ферментных препаратов на стадии сушки культуральной жидкости обеспечивать регламентируемый уровень специфической активности (протеолитической, амилолитической, липолитической и т.п.) по отношению к соответствующим субстратам. Максимально допустимую продолжительность сушки продукта при температуре сушильного агента Т_c определим из условия

где _mах - максимально допустимая продолжительность сушки продукта при температуре сушильного агента Т_c, с; ⁱ_max - максимально допустимая стандартом степень превращения i-го компонента.

С другой стороны, указанная продолжительность процесса должна обеспечить сушку пищевого продукта до требуемого конечного влагосодержания. Продолжительность сушки _c определим на основании кинетики процесса

Тогда условие допустимых температурных режимов запишем в виде

Уравнения (2), (3) и (4) представляют в общем виде математическую модель допустимых температурных режимов сушки.

Из приведенной математической модели видно, что термолабильность пищевого продукта определяется компонентом, для которого допустимая продолжительность обработки при температуре сушильного агента Т_c является наименьшей. Будем называть такой компонент определяющим температурный режим сушки.

Рассмотрим случай, когда константа скорости определяющего температурный режим сушки термолабильного компонента рассчитывается по уравнению Эйринга (Жоли М. Физическая химия денатурации белков. - М.: Мир, 1968. - 364 с.).

Уравнение (2) запишем в виде

где F - увеличение свободной энергии при переходе компонента в активированный комплекс, Дж/моль; k - постоянная Больцмана, Дж/К; h - постоянная Планка, Джс; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК).

Функцию степени превращения термолабильного компонента представим уравнением

где n - порядок реакции перехода термолабильного компонента в активированный комплекс.

Вычислим интеграл в левой части уравнения (5) для реакции первого порядка

В случае, если n1, получим

Поскольку температура продукта Т() в процессе сушки пропорциональна температуре сушильного газа Т_c, то для интеграла в правой части уравнения (5) можно записать равенство

где Z - коэффициент.

Анализ полученных уравнений (4), (7), (8) и (9) позволяет сформулировать области допустимых температур режимов сушки термолабильных продуктов в виде функциональной зависимости

где а и b - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

Следовательно, вместо распространенных в научной и технической литературе терминов “максимально допустимая температура сушильного агента или продукта” из уравнения (10) вытекает понятие теплового импульса (числа) сушильного агента, под которым следует понимать произведение абсолютной температуры сушильного агента на продолжительность обработки этим сушильным агентом. Максимальное значение теплового импульса сушильного агента является линейной функцией обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и может рассматриваться в качестве критерия теплового воздействия на термолабильный пищевой продукт в процессе сушки. Назовем уравнение (9) уравнением температурных режимов, поскольку оно устанавливает зависимость максимальной продолжительности обработки термолабильного продукта от абсолютной температуры сушильного агента. Рассмотрим математическую модель допустимых температурных режимов сушки пищевых продуктов, если константа скорости физико-химических превращений в термолабильном компоненте определяется законом Аррениуса (Тутова Э.Г., Куц П.С. Сушка продуктов микробиологического производства. - М.: Агропромиздат, 1987. - 303 с.).

Уравнение (2) запишем в виде

где Е - энергия активации при образовании активированного комплекса, Дж/моль.

С учетом вышеизложенного вычислим интеграл в правой части уравнения (11)

где А - коэффициент, с^-1.

В этом случае области допустимых температурных режимов сушки сформулируем в виде следующей функциональной зависимости:

где _mах - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующего стандарта; с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта.

Для экспериментальной проверки способа определения допустимых температурных режимов сушки термолабильных продуктов использованы результаты исследования процесса конвективной сушки зерна кукурузы и казеина.

В работе (Мюльбауер В. Исследование процесса сушки зерна кукурузы в сушилке с параллельными потоками // Пер. с франц. Н.Н.Угаровой. - М.: ВЦПНТЛД, 1980. - 133 с.) тепловое воздействие на зерна кукурузы в процессе сушки оценивали по началу потемнения зародыша и по снижению процентного содержания лизина, а в работе (Уразов М.Ю. Повышение эффективности конвективной сушки зерна кукурузы в плотном слое: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.18.12 / МГУПП. - М., 1998. - 23 с.) - по снижению процента всхожести семян.

Как видно из фиг.1 и 2, результаты исследования теплового воздействия на зерна кукурузы в процессе сушки хорошо согласуются со сформулированными понятиями области допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов.

Другим примером, подтверждающим правомерность сформулированных критериев допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов, является обобщение рекомендуемых режимов сушки казеина (Арапов В.М., Полянский К.К. Анализ развития технологии и техники сушки казеина // Молочная промышленность, 1996, №4. - С.14-16). Цифры на фиг.3 и 4 соответствуют следующим способам сушки: 1 - в плотном вентилируемом слое (Морозов А.Г.); 2 - в плотном вентилируемом слое (Максимов И.Г.); 3 - в плотном вентилируемом слое (Сурков В.Д.); 4 - в кипящем слое (Фадеева Л.Я.); 5 - в виброкипящем слое при средней температуре двух зон (Цидендоржиева Г.Р.); 6 - в фонтанирующем слое (Арапов В.М.). В экспериментальных данных, представленных на фиг.1-4, продолжительность процесса выражена в минутах.

Таким образом, в качестве критериев теплового воздействия на термолабильный продукт следует принять максимальный тепловой импульс сушильного агента или максимально допустимую продолжительность обработки пищевого продукта сушильным агентом при температуре Т_c, что позволяет повысить точность определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов с учетом закономерностей процесса сушки в различных сушильных установках и динамики изменения физико-химических и биохимических характеристик высушиваемого продукта, а также повысить его качество и увеличить срок хранения.