Определение режимов флюидизации при конвективной сушке черной смородины

Черная смородина является одной из наиболее полезных ягодных культур, поскольку в ней содержится большое количество пектиновых веществ, органических кислот, сахаров и микроэлементов [3–5]. Кроме существенного содержания аскорбиновой кислоты, в состав черной смородины также входят витамины К, D, В 2 , В 6 , В 9 , В 12 , Р-активные вещества и т.д.

Несмотря на высокую биологическую ценность, ягоды характеризуются высоким влагосодержанием, что обуславливает необходимость в разработке эффективных технологий их переработки в продукты длительного хранения. Особенно это касается северных регионов, где ввиду особых климатических условий отсутствует возможность потребления свежих плодов и ягод круглый год. При этом в первую очередь необходимо стремиться к максимальному сохранению термолабильных компонентов данного вида сырья в процессе консервирования. Поэтому большое внимание уделяется исследованию характера изменений в ходе консервирования и определению технологических режимов обработки дикорастущего сырья [6].

Одной из традиционных и перспективных технологий является конвективная сушка, которая широко используется в различных отраслях пищевой промышленности. Принцип конвективной сушки основан на омывании продукта сушильным агентом, в качестве которого, как правило, используется нагретый воздух. Для интенсификации процесса конвективной сушки используют обезвоживание в подвешенном слое (флюидизацию). При этом одним из важных параметров является скорость движения воздуха, которая должна подбираться таким образом, чтобы обеспечить флюидизацию и исключить унос продукта.

Таким образом, целью настоящей работы является определение критических скоростей флюидизации при конвективной сушке ягод черной смородины.

В качестве объекта исследования была выбрана ягода черной смородины следующих сортов: Память Лисавенко, Сеянец голубки, Память Шукшина, Черный жемчуг, Краса Алтая и Пушистая.

Для расчета критических скоростей необходимы данные о свойствах продукта, которые представлены в таблице 1 [7].

Таблица 1

Сорт	Масса единичного продукта, г	Плотность продукта, кг/м3	Насыпная плотность, кг/м3	Диаметр единичного продукта, мм
Память Лисавенко	1,4	1067	741	13÷14
Сеянец голубки	1,1	1082	751	12÷13
Память     Шукшина (Олимпийская)	0,9	1070	743	11÷12
Черный жемчуг	1,7	1075	746	14÷15
Краса Алтая	1,1	1059	735	12÷13
Пушистая	0,8	1063	738	11÷12

Массовые и объемные характеристики ягод черной смородины

Расчет критических скоростей проводился по методике, представленной в работе [8].

Первая критическая скорость движения воздуха w’ кр , характеризующая начало флюидизации, определялась по следующей формуле:

νв        Ar кр d 1400 + 5,22 Ar , экв                  , где   νв – кинематическая вязкость воздуха, м2/с;

dэкв – диаметр сферической части продукта. Число Архимеда определялось по формуле g⋅dэкв3 ⋅ (ρпр -ρв) ν2 ⋅ ρ вв

где    g =9,8 м/с² – ускорение свободного падения;

ρ пр , ρ в – плотность продукта и воздуха соответственно.

Вторая критическая скорость движения воздуха w” кр , характеризующая скорость, при которой возможен унос продукта, рассчитывалась по формуле

ν      Ar w" = в × кр   dэкв   18+0,6⋅ Ar

Результаты расчетов критических скоростей для свежей смородины в диапазоне температур воздуха от 45 до 90°С представлены на рисунке 1.

Температура, °С

Память Лисавенко

б

а

Рис. 1. Критические скорости движения воздуха при флюидизации свежей ягоды черной смородины: а – скорость начала флюидизации; б – скорость, при которой возможен унос продукта

Таким образом, критические скорости начала флюидизации в зависимости от температуры и сорта ягоды черной смородины находятся в диапазоне от 1,9 до 2,3 м/с. Скорость воздуха, при которой возможен унос продукта, составил от 17,2 до 20,8 м/с в диапазоне температур от 45 до 90°С. С повышением плотности продукта и его размера, а также с повышением температуры воздуха критические скорости также увеличиваются.

Применительно к конвективной сушке черной смородины вышеуказанные показатели справедливы лишь в начале процесса обезвоживания. По мере сушки происходит значительная усадка продукта и изменение плотности, что в свою очередь также влияет на критические скорости движения воздуха. Для учета этого были проведены эксперименты по конвективной сушке черной смородины при температуре воздуха 60°С в течение 16 часов во флюидизационном слое. Данная температура была выбрана исходя из требований по сохранности биологически активных веществ. При таком режиме сухая ягода характеризуется содержанием влаги от 4 до 7 % в зависимости от сорта.

На рисунке 2 представлено изменение линейного размера продукта в процессе конвективной сушки, которое рассчитывалось как процентное соотношение диаметра ягоды в данный момент времени к начальному значению.

Память Лисавенко

Черный жемчуг

Сеянец Голубки

Краса Алтая

Память Шукшина

Пушистая

Рис. 2. Изменение линейного размера ягод черной смородины в процессе конвективной сушки

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что наибольшая скорость изменения размера ягод черной смородины приходится на первые 3 часа, после чего скорость объемной усадки снижается. Через 16 часов обезвоживания линейный размер ягод составил от 55 до 62 % от первоначального значения в зависимости от сорта. Наибольшее изменение размера (55% от первоначального размера) наблюдалось для сорта Черный жемчуг. Плотность ягоды на протяжении всего процесса обезвоживания снижалась в среднем на 25÷30 %. По полученным данным была рассчитана критическая скорость ягод в процессе конвективной сушки при температуре воздуха 60°С. Результаты представлены на рисунке 3.

а

Рис. 3. Критические скорости движения воздуха при флюидизации ягоды черной смородины в процессе конвективной сушки при температуре 60°С: а – скорость начала флюидизации;

б – скорость, при которой возможен унос продукта

Память Лисавенко       Сеянец голубки

Память Шукшина       Черный жемчуг

Краса Алтая             Пушистая

б

Изменение критических скоростей движения воздуха пропорционально объемной усадке и изменению плотности. Из полученных результатов следует, что в процессе конвективной сушки черной смородины скорость движения воздуха, соответствующая началу флюидизации, снижается от 1,9÷2,2 до 1,2÷1,3 м/с (рис. 3,а). Для второй критической скорости через 16 часов сушки это значение снижается от 17,3÷19,6 до 11,2÷12,0 м/с (рис. 3,б) для различных сортов. Было обнаружено сходство значений критических скоростей между сортами Пушистая и Память Шукшина, а также между сортами Краса Алтая и Сеянец голубки, что обусловлено схожим размером самих ягод.

Графики критических скоростей, представленные на рисунке 3, можно описать уравнениями, представленными в таблице 2.

Полученные уравнения показывают высокую достоверность аппроксимации – от 0,995 до 0,998.

Таблица 2

Уравнения регрессии критических скоростей при конвективной сушке черной смородины при температуре 60°С

Сорт	Уравнение	R2
Скорость начала флюидизации w’, м/с
Черный жемчуг	w' = 0,0034 г 2 - 0,1063 г + 2,135	0,995
Память Лисавенко	w’ = 0,0029 г 2 - 0,093 г + 2,046	0,996
Краса Алтая, Сеянец голубки	w’ = 0,003 г 2 - 0,0913 г + 1,956	0,996
Память Шукшина, Пушистая	w’ = 0,0027 г 2 - 0,085 г + 1,89	0,998
Скорость, при которой возможен унос продукта w’’, м/с
Черный жемчуг	w" = 0,0294 г 2 - 0,902 г + 19,06	0,995
Память Лисавенко	w" = 0,025 г 2 - 0,794 г + 18,32	0,996
Краса Алтая, Сеянец голубки	w " = 0,0251 г 2 - 0,775 г + 17,59	0,996
Память Шукшина, Пушистая	w" = 0,023 г 2 - 0,721 г + 17,03	0,998

Примечание. – время от начала процесса сушки, час; R2 – достоверность аппроксимации.

При выборе скоростей движения воздуха необходимо придерживаться определенного резерва, поскольку в реальных условиях имеют место множество технологических факторов, включая отклонения в размере ягод от среднего значения. Поэтому при конвективной сушке черной смородины при температуре 60°С скорость движения воздуха в течение первых 7 часов рекомендуется принимать от 2,4 до 11 м/с. На протяжении оставшегося периода сушки скорость движения воздуха должна составлять от 1,9 до 9 м/с. В случае, когда скорость движения воздуха должна поддерживаться неизменной на протяжении всего процесса сушки, можно рекомендовать диапазон скоростей от 3 до 9 м/с. Данные значения обеспечивают явление флюидизации при отсутствии уноса продукта из камеры.

Обобщая результаты исследований можно сделать вывод о том, что при конвективной сушке черной смородины в флюидизационном слое скорость движения воздуха должна составлять от 3 до 9 м/с. При возможности ступенчатого регулирования скорости движения воздуха эта величину можно варьировать в пределах 2,4÷11 м/с в течение первых 7 часов и 1,9÷9 м/с в течение последующего периода сушки.