The use of combined convection-microwave processing line for drying fruits and vegetables

Full Text

Введение Сушка - наиболее выгодный способ консервирования растительных материалов, позволяющий достаточно полно сохранить нативные свойства плодов, овощей, ягод, зеленных культур при минимальных материальных затратах на обезвоживание, упаковку и хранение сушеных продуктов. Для переработки продукции сельского хозяйства применяются различные технологии сушки: естественная, аэрационная, конвективная, сушка в псевдокипящем слое, инфракрасная, сублимационная, микроволновая. Способы сушки различаются организацией процесса отъема влаги из материала и характеризуются использованием одного или нескольких процессов, определяющих всю специфику сушки. Применение способа микроволновой сушки, в том числе и комбинированной находит широкое распрастранение в мире [1, 2, 3]. Так, микроволновую сушку применяют для сушки древесины [4], зерна [5], овощей, фруктов [6, 1]. В настоящее время в России разработано большое количество СВЧ-установок волноводного и лучевого типа с конвективным и вакуумным удалением влаги. Более пяти организаций выпускают установки для сушки с использованием микроволновой энергии. Все установки имеют модульную конструкцию с мощностью магнетронного модуля до 1 кВт на частоте 2450 МГц. Равномерность нагрева пищевых продуктов достигается расположением модулей, очередностью подачи питающего напряжения и выбором системы передачи СВЧ-энергии. Созданные установки по микроволновой сушки рыбы, мяса, грибов, круп, овощей и фруктов характеризуются небольшим временем и относительно низкой температурой процесса. Особенно это справедливо для вакуумной сушки, когда на начальной стадии температура определяется давлением. Согласно современным тенденциям, для увеличения производительности и равномерности сушки перспективным представляется применение мощных магнетронных генераторов с частотой 915 МГц [7, 8, 9, 10], к недостаткам такого оборудования относится стоимость и сложность его эксплуатации. Использование СВЧ-энергии для сушки веществ имеет рад преимуществ: объемный характер выделения энергии при облучении объектов электромагнитными волнами; селективность энерговыделения, что обеспечивает высокую конечную однородность объектов сушки по влажности; малое время и относительно низкая температура процесса сушки, что применительно к пищевым продуктам, а также позволяет обеспечить очень высокую (до 96-98 %) сохраняемость полезных веществ и витаминов [6]. Цель исследования Представить на обсуждение опыт эксплуатации микроволновых сушильных установок, применяемых в технологии переработки сельскохозяйственного сырья, а также предложить технологические решения, касающиеся разработки и использования конвейерных микровол-новых сушильных установок для сушки растительного сырья. Методы и средства В ООО «НПФ ЭТНА», г. Саратов, разработан ряд промышленных установок УСК конвейерного типа различной производительности и суммарной потребляемой мощности от 16,8 до 48 кВт. Принцип работы установок основан на комплексном воздействии на объекты сушки СВЧ-энергии магнетронов мощностью 800 Вт, работающих на частоте на 2450 МГц, и конвективного потока горячего воздуха при непрерывном перемешивании в рабочем канале. Такая комбинация позволяет обеспечивать равномерный нагрев всего объема обрабатываемого продукта. Приготовление образцов и их обработка Исследования по совмещению конвективного и микроволнового методов сушки на разных стадиях сушки проводили на корнеплодах моркови и яблоках. Морковь мыли и очищали от кожуры, из яблок удаляли сердцевину. Для нарезки на шайбы толщиной 3-4 мм использовали промышленную резку KSM 100 (Kronen gmbh.). Нарезанную морковь пробланшировали в кипящей воде в течение 10 мин. Порезанные на поперечные шайбы яблоки выдерживали в 0,5%-м растворе лимонной кислоты при температуре 40 С° в течение 5 мин. Для конвективной сушки использовали камерную сушилку с тепловентилятором мощностью 7,7 кВА. Досушку в микроволновом поле проводили в лабораторной сушильной установке УСК-2м (ЭТНА, г. Саратов). Процесс сушки проводили при следующих режимах: температуру в конвективной сушилке поддерживали в пределах 70-75 °С, СВЧ-сушилке - в пределах 50-55 °С. Насыпная масса сырья на технологические поддоны в обоих случаях составила 5 кг/м2. На рис. 1 представлена схема конвейерной СВЧ-установки. Установка оснащена транспортером, поглощающими камерами, гарантирующими безопасный ввод продукта в электродинамическую систему и вывод из нее, снабженной электродинамической системой собственной вытяжной вентиляцией водяного пара. Электродинамическая система установки выполнена на базе совокупности желобковых волноводов, объединенных в модули, которые последовательно установлены в зависимости от производительности и назначения сушилки. Нагреваемый объект слоем толщиной не более 35 мм располагается у поверхности центрального проводника желобкового волновода, что позволяет в режиме бегущей волны обеспечить высокую степень равномерности нагрева продукта. Продукт транспортируется через установку на фторопластовых технологических поддонах. Безопасность по СВЧ-облучению обеспечивают системами из четвертьволновых дросселей и экранирующими элементами, расположенными на входе и выходе продуктопровода. Рис. 1. Принципиальная компоновка модульной СВЧ-установки: 1 - СВЧ модуль, 2 - мотор редуктор, 3 - СВЧ-дроссель, 4 - камера конвективной продувки, 5 - конвейерная цепь, 6 - рама Согласованная работа магнетронных генераторов при заполнении рабочего канала сушильной установки объектами сушки обеспечивает режим бегущей волны, при котором плотность СВЧ-энергии равномерна по длине рабочей камеры, что позволяет использовать широкую транспортерную ленту для подачи образцов обрабатываемых материалов. Указанный способ подачи СВЧ-мощности обеспечивает более равномерный нагрев, чем при использовании одного СВЧ-источника. Убыль массы при СВЧ-досушке определяли через 2 минуты. Принцип и применение технологии комбинированной конвективномикроволновой сушки При конвективном методе суммарная энергоемкость процесса с учетом рециркуляции теплоносителя составляет ~2 кВт×ч/кг. Для микроволновой сушки при прохождении полного диапазона влажностей эта величина составляет 1,55 кВт×ч/кг. При оптимальном же сочетании методов удается достичь величины порядка 1,15 кВт×ч/кг. Так, при значении переходной влажности 200 % суммарная энергоемкость RΣ составляет 1,22 кВт×ч/кг, а при значении переходной влажности 70 % RΣ - 1,28 кВт×ч/кг. На начальных этапах процесса сушки идет равномерный прогрев и постоянный перенос влаги от внутренних к поверхностным слоям материала. Влага с поверхности объекта сушки удаляется равномерно с постоянной скоростью, влагосодержание уменьшается линейно, при этом температура поверхности постоянна и равна температуре мокрого термометра. На данном этапе сушки эффективен конвективный энергоподвод. Однако по мере высыхания продукта и связанного с этим снижения его тепло- и массопроводящих характеристик все большая доля тепловой энергии не проникает вглубь высушиваемых продуктов, а переизлучается в пространство. Энергоемкость процесса возрастает, время сушки многократно увеличивается, возникают локальные перегревы продукта. Микроволновая сушка имеет преимущество в скорости и энергоемкости процесса на последних стадиях сушки, когда процесс масспереноса валаги замедляется. Это связано с объемным характером нагрева при облучении объектов микроволновыми электромагнитными волнами, микроволновое излучение поглащается селективно в тех областях, которые характеризуются самыми высокими диэлектрическими параметрами ε и tgδ, то есть в тех областях, в которых имеет место наибольшее содержание влаги. При использовании микроволнового энергоподвода процесс массперерноса влаги от внутренних слоев к верхним идет постоянно и скорость сушки выше по сравнению с ковективным способом сушки. Учитывая вышесказанное, эффективно совмещение двух механизмов сушки (конвективного и микроволнового) на различных стадиях процесса сушки. Ход кривых изменения энергоемкости R = R(w) и скорости сушки представлен на рис. 2 и 3. По этим кривым можно выбрать близкую к оптимальной величину переходной влажности (на границе микроволнового и конвективного модулей) - порядка 28-35 %. Для таких продуктов, как яблоки, это означает, что примерно 80-85 % всей содержащейся в исходном продукте влаги следует удалить конвективным методом и лишь оставшиеся 15-20 % - микроволновым [11, 10]. Средняя энергоемкость процесса составляет 1,5-1,6 кВт×ч/кг, что в 1,8-2,0 раза ниже значений допускаемых в промышленности при конвективной сушке. На рис. 4 представлены кривые досушки порезанных на шайбы яблок и моркови, предворительно высушенных конвективным способом до 30 % влажности. На графиках видно, что досушка в СВЧ-поле проходит быстрее более чем в 3 раза по сравнению с конвективным способом. Досушка яблок идет медленнее моркови из-за более высокого содержания сахаров, затрудняющих процесс сушки. Кроме того, более длительная и энтенсивная предварительная гидро-термообработка моркови способствует разрушению клеточных стенок и повышению проводимости влаги от внутренних слоев к внешним в сырье [7]. Процесс микроволновой досушки осуществляется на относительно низких температурах сушки 45-55 °С, что способствует сохранению качества готовой продукции и снижению количества брака. Оборудование для комбинированной сушки может дополнять и интенсифицировать работу технологических линий производства сушеной продукции (сушеных фруктов, корнеплодов, овощей), экструдатов пищевых концентратов, а также при производстве экструдированных кормов [13]. При экспериментальной проверке на начальной стадии сушки использовалась одноленточная сушилка СК-500 (Шебекинский машзавод, Россия) с последующей досушкой в СВЧ-установке. Технология и оборудование апробированы на предприятиях по производству сушеных корнеплодов (ИК № 1 г. Мариинск, Кемеровская область) и яблочных чипсов «Донфрукт» (Волгоградская обл., г. Дубовка). Таким образом, использование конвективной микроволновой сушки на финальной стадии приготовления продукта позволит существенно ускорить процесс сушки и улучшить органолептические характеристики сырья. Выводы На основании проведенного анализа применения микроволнового энергоподвода разработана технология комбинированной сушки плодов и овощей. На начальной стадии сушки использовалась одноленточная сушилка СК-500 (Шебекинский машзавод, Россия) с последующей досушкой в СВЧ-установке. Технология и оборудование апробированы на предприятиях по производству сушеных корнеплодов (ИК № 1 г. Мариинск, Кемеровская область) и яблочных чипсов «Донфрукт» (Волгоградская обл., г. Дубовка). Определено оптимальное значение переходной влажности (на границе микроволнового и конвективного модулей), которое должно находиться в диапазоне от 28 до 35 %. Применение метода комбинированного энергоподвода в технологиях сушки фруктов и овощей позволяет снизить энергопотребление процесса на 20-30 %. Рис. 2. Зависимость энергоемкости R(w) для конвективного и микроволнового механизмов сушки Рис. 3. Зависимость скорости сушки для конвективного и микроволнового механизмов сушки Рис. 4. Кривые скорости досушки резаных яблок и моркови для конвективного и микроволнового механизмов сушки

About the authors

A. A Korolev

All-Russian Research Institute of Conservation Technology - Branch of the Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center for Food Systems named after Valeriy M. Gorbatov» of RAS, Research Institute of Food Concentrate Industry and Special Food Technology - Branch of the Federal State Budgetary Institution for Nutrition and Biotechnology

Email: process@vniitek.ru, gnuniippspt@gmail.com
Vidnoe, Russia

A. V Prokopenko

All-Russian Research Institute of Conservation Technology - Branch of the Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center for Food Systems named after Valeriy M. Gorbatov» of RAS

Email: process@vniitek.ru
Vidnoe, Russia

References

Supplementary files