Исследование процесса сушки термолабильных продуктов с использованием теплонасосных технологий

Современные пищевая и перерабатывающая промышленности сталкиваются с проблемой повышения энергоэффективности и минимизации негативного воздействия на окружающую среду [11, 19]. Технологические процессы сушки играют ключевую роль в производстве, однако они характеризуются значительными энергозатратами. Традиционные методы сушки требуют больших объёмов тепла, часто получаемого за счёт сжигания ископаемого топлива, что приводит к высоким выбросам углекислого газа [15, 17].

При производстве продуктов питания, технология которых предусматривает высушивание сырья или полуфабрикатов, процесс сушки, предусматривающий подбор необходимых параметров сушильного агента при каждом этапе его подготовки, является определяющим качество готовой продукции [7, 8].

Особенно тщательно необходимо планировать процесс сушки при производстве качественных продуктов функционального и лечебно-профилактического назначения.

К продуктам питания, обладающим функциональными свойствами, можно отнести пророщенные семена льна [14, 16]. Процесс проращивания активирует в семенах ферменты, многократно увеличивая содержание витаминов, антиоксидантов и полиненасыщенных жирных кислот (особенно омега-3), а также улучшает их усвояемость [4, 14]. Для повышения удобства потребления, сохранения полезных свойств, такие проростки покрывают термочувствительной оболочкой на основе растительного глицерина [9, 13]. Это позволяет не только создать привлекательную форму, но и защитить нежные проростки от окисления, а также инкапсулировать дополнительные витаминные или вкусовые добавки. Особенно важно вести строгий контроль параметров сушки для пророщенных семян льна, покрытых такой оболочкой [4,15]. При этом следует осуществлять удаление влаги без повреждения хрупкого проростка и без нарушения целостности, прозрачности и функциональных свойств глицериновой пленки [9].

Для этих целей предлагается использование энергоэффективной сушильной установки с применением теплонасосной технологии с рециркуляцией и очисткой воздуха, которая ориентирована именно на такие высокочувствительные продукты [1, 2, 5]. Её ключевое преимущество – непрерывный автоматический контроль параметров входящего воздуха, работы теплообменника, состояния сушильного агента в момент контакта с материалом и показателей выходящего (рециркуляционного) воздуха, что обеспечивает стабильные условия процесса [8, 10, 20].

В связи с этим актуальным является изучение сушки пророщенных семян льна, покрытых оболочкой, с использованием компрессорной теплонасосной установки (ТНУ) и определение оптимальных режимов процесса как с точки зрения температуры сушильного агента, так и с точки зрения гидродинамики кипящего слоя продукта.

Материалы и методы

Исследование процесса сушки проводили на сушильной установке, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Сушильная установка с использованием теплового насоса: 1 – воздухозаборник уличного воздуха, 2 – заслонка регулирования потока входящего воздуха, теплонасосная установка, включающая 3 – испаритель и 4 – конденсатор, 5 – датчик контроля температуры и влажности, 6 – распределительный коллектор, 7 – газовая горелка, 8 – Z-нория, 9 – шесть сушилок, 10 – отводящая труба отработанного сушильного агента, 11 – фильтр-циклон, 12 – заслонка рециркуляционного воздуха, 13 – рециркуляционная труба, 14 – отвод отработанного воздуха

Figure 1. Diagram of the drying agent preparation unit using a heat pump: 1 – outdoor air intake, 2 – intake air flow control valve, heat pump unit (3 – evaporator, 4 – condenser), 5 – temperature and humidity control sensor, 6 – distribution manifold, 7 – gas burner, 8 – Z-noria, 9 – six dryers, 10 – exhaust pipe of the spent drying agent, 11 – cyclone filter, 12 – recirculating air damper, 13 – recirculating pipe, 14 – exhaust air outlet

Как видно по схеме, свежий воздух в систему поступает через воздухозаборник 1, в соответствии с положением заслонки регулирования подачи свежего воздуха 2 и смешивается с рециркуляционным воздухом на пересечении с рециркуляционной трубой 13. После чего воздушная смесь попадает в теплонасосную установку (испаритель 3 и конденсатор 4) где осушается и направляется в распределительный коллектор 6 через датчик контроля влажности и температуры 5. Из коллектора сушильный агент поступает в равных пропорциях в теплообменник, подогреваемый газовой горелкой 7, при этом достигает необходимой температуры и направляется в шесть сушильных шкафов 9, в которых на поддонах находятся пророщенные семена льна, покрытые термочувствительной оболочкой из растительного глицерина.

В сушильных шкафах 9 осуществляется сушка до требуемой влажности в активном гидродинамическом режиме. Причем скорость сушильного агента подбирается таким образом, чтобы не происходило травмирование семян и не нарушалась сплошность их оболочки.

Отработанный воздух через отводящую трубу 10 поступает в фильтр-циклон 11 и попадает на узел рециркуляции с заслонкой регулирования потока рециркуляционного воздуха 12, частично возвращаясь на подмес со свежим воздухом и частично выходя в атмосферу через отвод отработанного воздуха 14.

В данной сушильной установке основным элементом для подготовки и использования сушильного агента, требуемых режимных параметров, является тепловой насос, работа которого основана на цикле Карно, где хладагент подвергается следующим стадиям: испарение, компрессия, конденсация и дросселирование.

Принцип работы теплового насоса основан на извлечении тепла из отработанного воздуха (который обычно выбрасывается в атмосферу) и передачи его свежему воздуху, который подготавливают к процессу сушки. Это позволяет значительно снизить потребление энергии, поскольку часть тепла используется повторно, а не рассеивается в окружающей среде [6, 11]. Современные теплонасосные установки обеспечивают высокую точность поддержания заданных параметров (температура, влажность, скорость воздушного потока) с минимальными колебаниями, что гарантирует равномерную и щадящую сушку.

Результаты

Использование теплонасосных установок для подготовки воздуха в процессе сушки пророщенных семян льна, покрытых термочувствительной оболочкой из растительного глицерина - это не просто эффективное решение, а настоящая необходимость, обусловленная специфическими требованиями к режиму сушки таких продуктов [8, 15]. Деликатная структура проростков и чувствительная оболочка требуют предельной осторожности при термической обработке [4, 9].

При этом процесс сушки продукта осуществляется таким образом, что удаление влаги происходит без ущерба для его качества, сохраняются вкус, аромат, цвет, форма и, что особенно важно, ценные питательные компоненты. Традиционные методы нагрева воздуха, основанные на прямом сжигании топлива или использовании электрических нагревателей, недостаточно эффективны и часто приводят к нежелательным последствиям. Главная проблема традиционных систем - нестабильность параметров сушильного агента. Резкие скачки температуры, неравномерное распределение тепла и влажности приводят к перегреву отдельных участков продукта, вызывая его подгорание, деформацию или разрушение клеточной структуры. В результате продукт может потерять свой товарный вид: оболочка из растительного глицерина может потерять прозрачность и эластичность, а проростки - потерять свою биологическую активность. Кроме того, неравномерная сушка может привести к образованию внутренних напряжений, что снижает его качество хранения. Потери тепла при использовании традиционных систем также значительны. Значительная часть энергии уходит вместе с выбросами отработанного воздуха в атмосферу.

Теплонасосные установки радикально меняют ситуацию. Они обеспечивают точное и стабильное регулирование температуры и влажности воздуха, что критически важно для продуктов с теплочувствительной оболочкой [11, 12].

Более того, теплонасосные системы позволяют оптимизировать процесс сушки в зависимости от специфики продукта. Например, для пророщенных семян льна с тонкой оболочкой из растительного глицерина можно задать более низкую температуру и повышенную влажность, чтобы исключить их повреждение. Возможности программируемых логических контроллеров (ПЛК) в сочетании с датчиками влажности и температуры позволяют создать индивидуальные режимы сушки для широкого спектра продуктов. Сравнение теплонасосных установок с традиционными системами наглядно демонстрирует их преимущество в плане энергоэффективности и экологичности [6, 11].

Экономия энергии может достигать 70% и более, что существенно снижает операционные расходы. Кроме того, уменьшение выбросов в атмосферу способствует сохранению окружающей среды.

Использование представленной схемы целесообразно для пророщенных семян льна, покрытых термочувствительной оболочкой из растительного глицерина [9]. Производство включает в себя последовательные этапы:

• 1.    Остановка роста проростков: кратковременный (2–4 мин) прогрев пророщенных семян воздухом с температурой 50–60 °C, подаваемым от ТНУ;

• 2.    Дражирование пророщенных семян раствором растительного глицерина;

• 3.    Сушка дражированных пророщенных семян льна в сушилке до содержания влаги 5–10% (целевая 9 ± 1%). Время сушки составляет 25–30 минут.

Температура сушильного агента не должна превышать 45 °C, но и нельзя допускать ниже 35 °C. В противном случае можно перегреть и повредить теплочувствительный слой из растительного глицерина или использовать сушильный агент, который не будет эффективен для обеспечения интенсивности процесса.

Перед подачей сушильного агента непосредственно в сушилку, он подвергается ряду подготовительных этапов [5, 8]. В теплонасосной установке происходит конденсация лишней влаги в испарителе 3 и предварительное подогревание воздуха в конденсаторе 4 для смещения точки росы и предотвращения выпадения конденсата на этапе конечного нагревания до 35–45 °C. Нагревание происходит через теплообменник, подогреваемый газовой горелкой 7 без контакта воздуха с продуктами горения. Поток, проходящий через сушилку, регулирует нагнетающая турбина в соответствии с заданными параметрами. Осуществление данной подготовки позволяет наиболее тонко нагреть до необходимой температуры сушильный агент и достичь максимальной эффективности сушки за счет минимального уровня влажности.

Отработанный сушильный агент выходит из сушилок 9 по отводящей трубе 10 и проходит очистку в фильтре-циклоне 11 для удаления загрязнений и лишней влаги [1, 18]. Таким образом, при выбросе в атмосферу отработанного воздуха через отвод 14 соблюдаются экологические нормы и появляется возможность часть этого воздуха направить на рециркуляцию по трубе 13. Используя рециркуляционный воздух, можно повысить температуру исходного, чистого воздуха и экономить энергетические ресурсы для подготовки сушильного агента, и, так как воздух очищен, не вызывает загрязнений ТНУ и других агрегатов, продлевая их срок службы [3, 12].

Для количественной оценки эффективности системы и поиска баланса между энергосбережением и качеством процесса был проведен эксперимент по определению оптимального коэффициента рециркуляции (КР) отработанного воздуха.

Коэффициент рециркуляции рассчитывался как отношение объемного расхода рециркуляционного воздуха к общему расходу воздуха, подаваемого в ТНУ. Значение КР контролировалось и изменялось путем регулирования положения заслонки 12 на рециркуляционной трубе 13 при постоянном общем расходе, создаваемом нагнетающей турбиной.

Условия для проведения сушки задавались экспериментальным путем: кипящий слой (разрежение -0.5…-0,7 бар); температура сушильного агента: 38–42 °C; целевая влажность продукта: 9 ± 1%.

Таблица 1.

Результаты экспериментального определения оптимального коэффициента рециркуляции

Table 1.

The results of the experimental determination of the optimal recirculation coefficient

Коэффициент рециркуляции, % Recycling rate, %	Удельное энергопотребление, кВт×ч/кг исп. влаги Specific energy consumption, kWh/kg of used moisture	Стабильность кипящего слоя Fluidized bed stability
30	0.70	Отличная | Excellent
45	0.58	Отличная | Excellent
60	0.52	Хорошая | Good
70	0.55	Удовлетворительная (наблюдается рост влажности агента) Satisfactory (there is an increase in the humidity of the agent)
80	0.65	Нестабильная (высокая влажность агента) Unstable (high humidity agent)

Оптимальный диапазон КР составляет 55–65%. При данных значениях достигается минимальное удельное энергопотребление, и обеспечивается экономия в 45–50% на подогреве против режима без рециркуляции.

Основным ограничивающим фактором при КР свыше 65% является стабильность кипящего слоя. Повышенная влажность и плотность воздушного потока приводят к слипанию частиц продукта, что ухудшает равномерность сушки и увеличивает продолжительность цикла.

Эксплуатация установки в данном диапазоне КР позволяет обеспечить максимальную энергоэффективность при сохранении высокого качества процесса и производительности.

В ходе изучения результатов эксперимента по сушке дражированных семян льна на представленной установке, а также на основании параметрического моделирования процесса, были сделаны следующие промежуточные выводы:

• – необходим постоянный контроль температуры воздуха для предотвращения перегрева или недосушивания пророщенных семян льна. Оптимальные параметры зависят от толщины оболочки из растительного глицерина;

  – получен четкий оптимум КР в диапазоне 55–65%. При данном значении достигается максимальная энергоэффективность процесса сушки (удельное энергопотребление составляет 0,52– 0,58 кВт×ч/кг испаренной влаги) при сохранении стабильности кипящего слоя и приемлемой продолжительности цикла. Превышение КР свыше 65% ведет к слипанию частиц продукта и нарушению равномерности сушки;

  – регулирование параметров процесса в автоматическом режиме за счет мониторинга изменений показателей свежего воздуха;

  – стабильность кипящего слоя является ключевым индикатором корректности работы установки. При этом он зависит от корректно подобранных КР, температуры и скорости потока сушильного агента.

  – необходима своевременная замена рукавных фильтров, что позволяет не допустить снижения эффективности очистки или пропуска твердых частиц.

Заключение

Применение сушильной установки с использованием теплонасосных технологий, системы фильтрации и рециркуляции демонстрирует высокую эффективность проведения процесса сушки и его экологическую целесообразность [1, 2, 6]. Особенно актуально использовать данную схему при сушке пророщенных семян льна, покрытых теплочувствительной оболочкой из глицерина, так как ведется непрерывный контроль параметров сушильного агента и корректируется работа оборудования в зависимости от изменяющихся факторов [4, 8, 9].

Проведенное параметрическое моделирование подтвердило, что настройка КР в диапазоне 55–65% является оптимальной, обеспечивая пиковую энергоэффективность и сохранение стабильности кипящего слоя. Технология позволяет не только существенно снизить энергозатраты предприятия, но и обеспечивает высокую скорость и равномерность сушки продукта, что критически важно для сохранения его биологической ценности и товарного вида.

Внедрение подобных схем целесообразно для предприятий, ориентированных на достижение высоких показателей как качественных, так и количественных, оптимизацию и автоматизацию трудно контролируемого процесса сушки функциональных продуктов питания.