Разработка устройства для обезвоживания биоматериалов

В настоящее время в производстве продуктов функционального питания сформировалось новое направление – продукты здорового образа жизни, призванные обеспечить специальное питание для людей, ведущих активный образ жизни. Такое питание призвано обеспечить нормальное функционирование организма при условии отказа от компонентов продуктов, провоцирующих отложение жира в организме [1]. Спортивный рацион все более обогащается блюдами сублимационной сушки, что позволяет его сделать более разнообразным.

Цель исследования

Сублимационная сушка продукта - один из самых современных методов обратимого консервирования микроорганизмов и биопрепаратов. Однако в мировой практике используется только вакуумная сублимационная сушка для консервирования продуктов методом сублимации. Были разработаны технология и техника сублимационного обезвоживания при атмосферном давлении. Это позволяет организовать производство сублимированных продуктов при меньших капитальных затратах. В статье представлено оборудование, призванное преодолеть препятствие на пути к промышленному производству продуктов атмосферной сублимационной сушки.

Материалы и методы исследования

В связи с актуальностью создания и производства сублимированных продуктов питания в МГУТУ им. К.Г. Разумовского (г. Москва) совместно с ВСГУТУ (г. Улан-Удэ) было разработано устройство для производства промышленного производства сублимированных продуктов. Молочные продукты моделировали на основе обезжиренного молока, а в качестве модельных продуктов растительного происхождения выбраны белые грибы.

В течение ряда лет в РФ разрабатывается методика интенсификации сублимации при атмосферном давлении, получены удовлетворительные результаты, позволяющие обеспечить высокую скорость сушки, но только в лабораторных условиях. Таким образом, в настоящее время стоит задача разработки промышленных образцов атмосферных сублимационных сушилок, позволяющих превзойти показатели вакуумных.

Традиционные сушильные установки, использующие тепловые насосы для обработки воздуха [3], включают сушильную камеру с тележками для высушиваемого продукта (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема сушильной камеры с тепловым насосом:

1 - сушильная камера; 2 - тележка; 3 – компрессор; 4 – испаритель;

5 – рекуперативный теплообменник; 6 – конденсатор, 7 - поддон для сбора конденсата

Необходимо отметить, что в данном случае сушка на тележке продукта заключается в продувании материала, расположенного на противне, боковым потоком воздуха. Такой способ обработки материала сушильным агентом (воздухом) недостаточно эффективен. Процесс сушки проходит медленно и неравномерно. Вначале поверхностные слои материала сохнут достаточно быстро в условиях принудительного движения воздуха, а затем внутренние слои материала сохнут в условиях естественной циркуляции воздуха за счет разности парциальных давлений. Продолжительность сублимационной сушки в таких условиях доходит до нескольких суток.

Исследования, проведенные в [4], показали, что измеренные в плотно упакованных слоях числа Нуссельта существенно больше, чем для одиночных частиц, при той же скорости обтекания. Таким образом, скорость обтекания частицы в плотноупакованном слое при одинаковой скорости сушильного агента под ситом в 1,3…1,6 раз больше, чем в ожиженном слое.

Результаты исследования и их обсуждение

Были проведены эксперименты по сушке слоя молока толщиной 20 мм и грибного порошка, также толщиной слоя 20 мм (определяющий размер гранул составлял порядка 3 мм) [5]. Массовая загрузка на 1 м2 при этом примерно одинакова. Продолжительность сушки замороженных гранул молока составила 12 ч, замороженного слоя гранул грибов – 24 ч. Досушка в обоих случаях продолжалась 30 мин до остаточной влажности продукта ≤5 %.

На рисунке 2 представлен процесс сушки плотноупакованных частиц методом продува- ния.

а                                                 б

Рисунок 2 – Аппарат для сушки плотноупакованных частиц методом продувания:

1 - сушильный аппарат; 2 - коллектор раздачи сушильного агента - воздуха;

3 - охладитель (испаритель); 4 - калорифер; 5 – плотноупакованные частицы;

6 – перфорированный противень;

а – параметры сушки слоя замороженных гранул молока; б – параметры сушки слоя замороженных гранул белых грибов

Скорость сушки методом продувания плотноупакованного слоя гранул оказалась сопоставима с сублимационной сушкой в вакууме. Так, по данным фирмы «Кемоло» (КНР) [6], время сушки слоя молока толщиной 10 мм на противнях и ломтиков грибов, толщиной менее 10 мм составляет 15 и 19,5 ч соответственно, включая процесс замораживания, что отражено в таблице.

Таблица

Время сублимационной сушки и энергопотребление

s kJ CO s к	к kJ CO o\ У U В « S * S m & 03 U	8 CO „ kJ £ и	kJ е	S св	kJ 3 kJ & kJ			О g в
Молоко	87	13	-	-	10	2,5	12,5	15	2,64 (2 270)	0,2
Белые грибы	92	8	стружка	<10 мм	9,7	3,5	16	19,5	3,43 (2 949)	0,2

Для предотвращения уноса гранул биоматериала продукт размещался между двумя сетками с определяющим размером ячейки меньше размера гранул (2 мм). Дополнительная сетка создает гидравлическое сопротивление, на ней происходят потери напора воздуха, и, как следствие, увеличивается расход потребления электроэнергии вентиляторами. Также система «один вентилятор – один сетчатый противень» с сеткой сверху не дает возможности реализовать сушку в промышленных условиях.

Необходима разработка такой тележки, которая позволила бы сушить методом продувания и в то же время давала бы возможность использовать обычный, боковой поток воздуха, служащий сушильным агентом.

Заключение

Для решения поставленной задачи была разработана специальная тележка для сушки гранулированных продуктов при атмосферном давлении. На рисунке 3 представлена тележка для сушки гранулированных продуктов, например замороженных гранул сублимируемого продукта, замороженных цветов. Тележка для сушки гранулированных продуктов содержит корпус сушилки 1, ограниченный стенками, на который установлены направляющие для установки сетчатых противней 3, направляющие для потока воздуха 2, образующие воздуховоды. Причем направляющие для потока воздуха установлены таким образом, что воздух, поступающий в тележку с одного торца, при ударе о направляющие проходит сверху вниз сквозь слой продукта, направляясь на выход с другого торца тележки.

При атмосферной сублимационной сушке процесс сублимационного обезвоживания происходит при разных температурах. Сублимация замороженного продукта производится при температуре сублимации - при той температуре, где количество влаги в продукте вымораживается в размере ~80 %, а досушивание сублимированного продукта производится при положительной температуре (удаление 15 % влаги из оставшихся 20 %).

Тележка может быть использована в сушильном аппарате с тепловым насосом, где воздух охлаждается, осушается, затем подогревается и вентилятором направляет в тележку-воздуховод.

Рисунок 3 - Тележка для сушки гранулированных продуктов при атмосферном давлении:

1 – корпус; 2 – направляющие потока воздуха; 3 – сетчатые противни

Возможно выполнение конструкции тележки-сушилки, которая будет оснащена собственными нагревателями и вентиляторами (рис. 4). Тележка-сушилка устанавливается в низкотемпературной камере, после процесса сублимации воздух нагревается в теплообменнике и направляется на продукт вентиляторами, которые установлены на самой сушилке.

Рисунок 4 - Тележка-сушилка с нагревателем и вентиляторами:

1 – корпус; 2 – направляющие потока воздуха; 3 – сетчатые противни; 4 – продукт; 5 – нагреватель;

6 - вентиляторы

Производится собственно процесс сублимации, а для досушивания тележка может выкатываться, подключаться к источнику питания, и продукт будет досушиваться при положительных температурах, не занимая низкотемпературную камеру. Использование разработанной тележки дает возможность организовать процесс сублимационной сушки при атмосферном давлении в промышленных масштабах.