к.т.н. Суслов А.Э., асп. Точенова Н.В., д.т.н. Фатыхов Ю.А., к.т.н.Бестужев А.С.

«ФГОУ ВПО Калининградский государственный технический университет» г. Калининград, Россия

Результаты исследования процесса сушки креветки

Сушка является одним из способов консервирования пищевых продуктов, в том числе и гидробионтов. В рыбной промышленности сушка широко используется при вялении, копчении, производстве рыбной муки и других процессах. В последнее время сушка все более широко используется при производстве различных вкусовых добавок.

Задачей настоящего исследования являлось определение энергосберегающих режимных параметров процесса сушки креветки для производства натуральной вкусовой добавки. Анализ энергоёмкости процесса, условий достижения необходимого качества продукции показал, что наиболее целесообразной является вакуумная сушка.

Нами был проведен комплекс экспериментальных исследований на специально созданной установке. В процессе сушки креветки контролировали абсолютное давление, температуру в центре морской креветки и температуру греющих плит по центру поддона. Было установлено, что колебания температуры по площади поддона незначительно.

Параметры процесса вакуумной сушки (Т - температура греющих плит-70, 80, 90⁰С и Р - абсолютное давление - 1.6, 2.0, 2.4 кПа) определены экспериментально, как наиболее целесообразные. По результатам проведенных экспериментов при различных режимах получены кривые сушки, обработка которых позволила оптимизировать режимы обезвоживания при сохранении высоких качественных показателей сушеной креветки.

На рис.1,2 представлены термограммы и кривые сушки продукта, построенные по экспериментальным данным для различных значений температуры греющих плит вакуумной сушильной установки. Поскольку в вакуумных аппаратах затруднен отбор проб исследуемого продукта для определения его текущей влажности, для построения кривых сушки в основу расчета принимали оба значения влажности − начальное и конечное, это позволило распределить погрешность эксперимента на всю длину кривой сушки, снижая ошибку при дальнейшей ее обработке [1]. Кроме того, ряд экспериментов прерывали для контрольного определения текущей влажности исследуемого образца.

По представленным графикам (рис. 1,2,3) для морской креветки в панцире без головы процесс вакуумной сушки можно охарактеризовать наличием четырех периодов: охлаждение, нагрев, постоянная скорость сушки, падающая скорость сушки.

На рис.2 видно, что кривые сушки имеют вид, характерный для коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым относятся исследуемые продукты. При постоянной величине абсолютного давления внутри сушильной камеры термовлагопроводность, как известно [2], определяется молекулярной термодиффузией влаги за счет перемещения влаги из-за разной скорости молекул различно нагретых слоев продукта и капиллярной проводимости, возникающей из-за изменения капиллярного потенциала.

По температурным кривым (рис. 1) видно, что в первом периоде происходит снижение температуры креветки в течение 12-15 мин. за счет интенсивного испарения влаги с поверхности продукта.

Влияние температуры греющих плит вакуумной сушильной установки (при Р=2,4 кПа) видно из сопоставления кривых 1, 2, 3 рис.2. При Т = 70 ⁰С процесс сушки продукта характеризуется низкой интенсивностью (кривая 3), что объясняется недостаточным потенциалом термовлагопроводности.

Изменение абсолютного давления внутри сушильной установки, также не приводит к значительной интенсификации процесса, поэтому значения влияющих факторов, соответствующих данным кривой 1¹ (рис.2) следует считать рациональными (близкими к оптимальным) для процесса вакуумной сушки морской креветки.

Рис.1. Термограммы (1,2, 3) морской креветки в панцире без головы (Р=2.4кПа) при различных значениях температуры греющих плит 1 − Т = 90⁰С; 2− Т=80⁰С; 3− Т = 70⁰С.

Рис.2 Кривые сушки (1’, 2’,3’) морской креветки в панцире без головы при различных значениях температуры греющих плит 1’ − W^с(τ), Т = 90 ⁰С; 2’ − W^с(τ), Т = 80⁰С; 3’ − W^с(τ), Т = 70 ⁰С.

На рис.1 представлены термограммы , характеризующие процесс сушки морской креветки в панцире без головы. Исходя из аналогичных рассуждений, наиболее рациональным следует признать процесс сушки исследуемого объекта с параметрами, соответствующими кривой 1.

На рис.3 представлены кривые кинетики сушки морской креветки. Значения текущей влажности материала W^с вычисляли по отношению массы влаги в продукте к массе абсолютно сухого вещества. Естественно, что кривая сушки морской креветки 1 имеет характер зависимости, аналогичный данным рис.2. При этом для неё справедливы те же рассуждения о происходящей физике процесса обезвоживания. Кривая 1 рис.3 характеризует закономерность изменения скорости сушки и более наглядно отображает характерные периоды обезвоживания материала. Период прогрева, который часто исключают из анализа процесса [2] соответствует правой части кривой 1 рис.3. Период постоянной скорости обезвоживания, для которого , показывает, что при одинаковых свойствах объекта обработки величина N определяется режимными параметрами процесса.

Период подающей скорости обезвоживания (левая часть рис.3) имеет вид, присущий однородному капиллярно-пористому телу [2].

Рис.3. Кривые скорости сушки креветки в панцире без головы (1 - Т = 90°С; 2 - Т=80°С;

3 - Т =70°С)

По кривым скорости сушки (рис.3) видно, что в начале периода прогрева происходит интенсивное испарение влаги из креветки. Удаляется поверхностная влага и влага макро- и микрокапиляров, переходных макропор. Скорость сушки в этот период имеет максимальное значение- 1,6%/мин. Период постоянной скорости сушки характеризуется удалением большего количества влаги, чем в других периодах. Начало периода падающей скорости сушки, соответствует критическому влагосодержанию материала. В это время происходит удаление влаги наиболее прочно связанной с продуктом. Интенсивность испарения уменьшается, скорость сушки замедляется, температура в толще продукта становится равной температуре на поверхности. Из рис. 3 видно, что скорость сушки падает и в конце периода имеет минимальное значение. В конце этого периода достигается равновесная влажность креветки, процесс сушки прекращается.

О влиянии режимных параметров

При вакуумной сушке влияющими факторами процесса являются температура греющих плит сушильной установки - Т и абсолютное давление внутри камеры аппарата - Р.

В качестве параметра оптимизации выбираем темп обезвоживания продукта, характеризующий скорость удаления влаги за процесс:

, (1)

где ; − начальная и конечная влажность продукта, отнесенная к сухой массе, %;

t − продолжительность сушки, мин.

При этом ставилась задача, определить при каких параметрах процесса будет обеспечена минимальная его продолжительность, т.е. максимальная производительность установки по готовому продукту. Ограничением являлись конечная влажность продукта и его качество.

При определении вида уравнения регрессии исходили из предпосылки, что если поверхность, на которой находится искомая точка оптимального соотношения режимных параметров сушки криволинейна, то варьируя факторами можно получить возможность с минимальной ошибкой аппроксимировать эту поверхность полиномом второго порядка [3]:

, (2)

где y − обобщенный параметр оптимизации;

b₀, b_i, b_il, b_ii − коэффициенты регрессии;

x₁, x₂ − кодированные значения факторов.

В соответствии с известным методом планирования был реализован полный факторный эксперимент типа 3². Уровни и интервалы варьирования факторами представлены в табл. 1

Таблица 1 − Уровни и интервалы варьирования факторами

Факторы	Кодированные обозначения	Интервалы варьирования	Уровни факторов
			Основной 0	Верхний +1	Нижний -1
Т-температура греющих плит, °С	х1	10	80	90	70
Р- абсолютное давление внутри аппарата, кПа	х2	0,4	2,0	2,4	1,6

Матрица планирования и результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Реализация плана экспериментов и обработка полученных данных, проведенная с помощью компьютерной программы DataFit Ver. 9.0.59, позволила получить следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние факторов на темп вакуумной сушки.

В кодированных значениях факторов

у = 1,886+0,193х₁ – 0,092х₂ -0,04х₁х₂ + 0,13х₁² – 0,045х₂² (4)

В натуральных значениях факторов

V=6,393-0,169T+1,696P-0,01TP + 0,001T² - 0,281P² (6)

Таблица 2 − Результаты опытов по сушке креветки без головы.

№ п/п	х1	х2	х1х2	х1^2	х2^2	Креветка в панцире без головы, Wo^c=351%
						,%	t, мин	y
1.	-1	-1	+1	+1	+1	39,18	174	1,79
2.	-1	0	0	+1	0	57,7	150	1,95
3.	-1	+1	-1	+1	+1	22,3	200	1,64
4.	0	-1	0	0	+1	49	108	2,79
5.	0	0	0	0	0	49,25	162	1,86
6.	0	+1	0	0	+1	23,3	181	1,81
7.	+1	-1	-1	+1	0	23,4	138	2,37
8.	+1	+	0	+1	0	66,1	135	2,11
9.	+1	+1	+1	+1	+1	82,5	115	2,33

Полученные уравнения регрессии позволяют не только предсказать значение функции отклика для заданных условий реализации процесса

Рис.4. Поверхности функции отклика у(х₁;х₂) в выбранной области факторного пространства для креветки в панцире без головы

вакуумной сушки креветки в панцире без головы. но и дают информацию о форме поверхности отклика, которые представлены на рис.4.

Заключение

Разработана экспериментальная вакуумная сушильная установка для сушки морской креветки. Обоснована методика проведения экспериментов на ней.

Получены и обработаны экспериментальные данные по кинетике сушки морской креветки в панцире без головы.

Установлены кинетические закономерности вакуумной сушки креветки в панцире без головы при различных параметрах процесса: абсолютном давлении Р=1,6…2,4 кПа, температуре греющих плит Т= 70….90⁰С.

Разработана математическая модель процесса вакуумной сушки креветки в панцире без головы, устанавливающая взаимосвязь параметров процесса: абсолютного давления Р и температуры греющих плит Т в вакуумной сушильной установке на темп обезвоживания продукта.

Установлены рациональные параметры процесса вакуумной сушки креветки в панцире без головы Р=1,6 кПа, Т=90⁰С.

Список литературы

1. Антипов С.Т., Воронин А.А., Кумицкий А.С. и др. Исследование процесса вакуум-сублимационного обезвоживания пищевых продуктов при различных способах энергоподвода. Вестник МАХ, вып. 2. 2007.- С.44-47.

2. Баранов В.В., Бражная И.Э., Гроховский В.А. и др. Технология рыбы и рыбных продуктов: под ред. А.М.Ершова. СМб, ГИОРД. 2006.-С.944.

3. Спиридонов А.А., Васильев Н.Г. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизации технологических процессов. Свердловск, УПИ им. Кирова. 1975.-С.140.