IMPROVING THE METHOD OF FROZEN BERRY PROCESSING IN THE DEVICE WITH VIBRATING PLATE
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 93
to 98
Status:
Published
Received:
23.07.2017
Accepted:
23.07.2017
Published:
23.07.2017
Subject area:
UDK 664.8.037.5
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Cranberry, dry substances, vibrating perforated plate, amplitude, frequency, water duty
Abstract (English):
Berries are the most promising source of raw materials for the Siberian region to create products enriched with biologically active substances. Noted are drawbacks of the common method of processing of frozen fruit raw material in the field of low- frequency mechanical vibrations. The expediency of improving its technical and economic characteristics is shown. The experimental device is an apparatus with a diameter of 0.146 m and having a flat bottom. A 3 mm thick flat plate with a diameter of0.142 m and having perforated holes with a diameter of 2.5 ... 3.5 mm is installed in the device. The plate is rigidly fixed on the rod which performs reciprocating motion through a crank mechanism and is connected with the motor shaft. The distance from the plate to the bottom is 0.045 m; the frequency of the plate oscillation is 20 ... 13.3 Hz, and the amplitude of 6, 7 and 8 mm. The device is sealed with a lid which is placed at a distance of 0.02 m from the free surface of the liquid. On the plate periphery a flange is set uniformly upward and downward having the overall height of 0.02 m. The content of dry water-soluble substances is measured with refractometer. Carrying out the experiments we use cranberry collected in 2015 in the Mariinsk district of the Kemerovo region. A 300 gram batch of cranberry frozen at -18°C is placed in a space under and over the plate, 1200 ml of water at the temperature of 18 ± 2°C being poured into the vessel. Then the plate is set in motion. Processing is stopped when equilibrium in the system is reached. Basing on the obtained data the influence of the studied parameters on the extraction of dry water-soluble substances has been established: the diameter of the holes is the most influential parameter while the amplitude of oscillations is less influential but interacting with other parameters it does influence the process. Experimentally-statistical model valid for the studied system in the range of parameter changes has been obtained. The optimization of parameters using Newton's method has been fulfilled. It has been shown that in this case the content of dry substances in the extract increases by almost 2 times in comparison with the known method.
Berries are the most promising source of raw materials for the Siberian region to create products enriched with biologically active substances. Noted are drawbacks of the common method of processing of frozen fruit raw material in the field of low- frequency mechanical vibrations. The expediency of improving its technical and economic characteristics is shown. The experimental device is an apparatus with a diameter of 0.146 m and having a flat bottom. A 3 mm thick flat plate with a diameter of0.142 m and having perforated holes with a diameter of 2.5 ... 3.5 mm is installed in the device. The plate is rigidly fixed on the rod which performs reciprocating motion through a crank mechanism and is connected with the motor shaft. The distance from the plate to the bottom is 0.045 m; the frequency of the plate oscillation is 20 ... 13.3 Hz, and the amplitude of 6, 7 and 8 mm. The device is sealed with a lid which is placed at a distance of 0.02 m from the free surface of the liquid. On the plate periphery a flange is set uniformly upward and downward having the overall height of 0.02 m. The content of dry water-soluble substances is measured with refractometer. Carrying out the experiments we use cranberry collected in 2015 in the Mariinsk district of the Kemerovo region. A 300 gram batch of cranberry frozen at -18°C is placed in a space under and over the plate, 1200 ml of water at the temperature of 18 ± 2°C being poured into the vessel. Then the plate is set in motion. Processing is stopped when equilibrium in the system is reached. Basing on the obtained data the influence of the studied parameters on the extraction of dry water-soluble substances has been established: the diameter of the holes is the most influential parameter while the amplitude of oscillations is less influential but interacting with other parameters it does influence the process. Experimentally-statistical model valid for the studied system in the range of parameter changes has been obtained. The optimization of parameters using Newton's method has been fulfilled. It has been shown that in this case the content of dry substances in the extract increases by almost 2 times in comparison with the known method.
Keywords:
Cranberry, dry substances, vibrating perforated plate, amplitude, frequency, water duty
Cranberry, dry substances, vibrating perforated plate, amplitude, frequency, water duty
Создание продуктов, обогащенных биологически активными веществами, - важная задача в решении проблемы здорового питания. Для Сибирского реги- она ягодные культуры особенно перспективны: ста- бильные урожаи, быстрое плодоношение, богатый химический состав, хорошая сохранность ягодников в зимних условиях и др. Использование местного растительного сырья для обогащения продуктов пи- тания массового потребления - перспективно. Ягод- ные культуры Сибири содержат большой комплекс витаминов, биологически активных веществ, микро- элементов [1, 2, 3, 8]. Существующие способы переработки и после- дующего использования растительного сырья бази- руются на извлечении целевых компонентов, их дальнейшем переводе в нейтральный растворитель и последующем внесении в продукты. Экстрагиро- вание твердого растительного сырья для получения экстрактов, концентратов, сиропов наиболее часто используется для извлечения полезных веществ. Переработка ягодного сырья ввиду несложной тех- нологии, достаточной сырьевой базы, невысоких капитальных затрат является перспективной сфе- рой деятельности для создания малотоннажных производств. Короткий срок сбора ягодного сырья, его боль- шие объемы предопределяют условия консервиро- вания для дальнейшей переработки в течение года. Замораживание ягод и дальнейшее их хранение в замороженном состоянии - наиболее распростра- ненный, простой и дешевый способ консервирова- ния [4]. Недостатки традиционного способа переработки замороженного плодово-ягодного сырья отмечены в [5] и др. работах. Совершенствование технологии и аппаратурного оформления производства экстрактов из замороженного ягодного сырья представляется актуальной научно-технической проблемой. Осуществление в одной единице обо- рудования нескольких технологических операций в условиях наложения на обрабатывающую систему поля низкочастотных механических колебаний поз- воляет существенно сократить время переработки, снизить энергозатраты, уменьшить число единиц оборудования и др. [1, 5]. Однако, способ [5] имеет и недостатки: невысо- кая производительность, недостаточное содержа- ние сухих водорастворимых веществ (СВВ) в экс- тракте, невысокий коэффициент полезного исполь- зования рабочего объема аппарата. Таким образом, совершенствование способа переработки заморо- женного ягодного сырья с целью повышения тех- нико-экономических характеристик и создания многофункционального аппарата является актуаль- ной проблемой. В работе рассматривается запатентованный спо- соб [5] получения водных экстрактов из заморо- женного плодово-ягодного сырья в поле низко- частотных механических колебаний, создаваемых перфорированной вибрационной тарелкой, и пути совершенствования способа и его аппаратурного оформления. Целью работы является модернизация запатен- тованного способа [5] путем увеличения произво- дительности аппарата; обоснование предложенного решения. Объекты и методы исследования Ягоды клюквы широко распространены в се- верных болотистых районах Сибири. Химический состав отличается разнообразием витаминов, мине- ралов и многих биологически активных веществ [1, 6]. Ягоды клюквы издавна применяются в народной медицине. Одним из способов переработки клюквы является производство клюквенного экстракта. Клюква дает устойчивые урожаи, она использова- лась в качестве объекта исследования в [5]. В экс- периментах использовалась ягода клюквы урожая 2015 года, собранная в Мариинском районе Кеме- ровской области. Способ [5] осуществляется следующим образом. Взвешивается замороженная при -18 °С ягода клюквы и помещается в рабочий объем аппарата диаметром 0,146 м. Туда же заливается вода темпе- ратурой (18±2) °С в соотношении т/ж=0,67, где т - масса твердой фазы (замороженных ягод); ж - мас- са жидкой фазы (вода). Затем устанавливается пер- форированная тарелка диаметром 0,97 Dа (Dа - диаметр аппарата). Толщина тарелки 3 мм, доля свободного сечения 16,5 %, образованное от- верстиями диаметром 5 мм. Расстояние от дна ап- парата до тарелки 45 мм, общая высота слоя обра- зованной системы (т+ж) составляет 102 мм. После этого с помощью электродвигателя перфорирован- ная тарелка приводится в возвратно-поступа- тельное движение в вертикальной плоскости с частотой 10 Гц и амплитудой 7 мм. Перфорированная тарелка по периферии снаб- жена кольцом (отбортовкой), направленным в сто- рону дна. Высота отбортовки составляет 10 мм. Таким образом, вся твердая фаза размещается под тарелкой. Высота слоя жидкости в аппарате составляет 102 мм, в том числе над тарелкой 54 мм. Совершая возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости, тарелка во всем объеме жидкости создает поле низкочастотных механи- ческих колебаний. Наиболее эффективно это поле в объеме под тарелкой, где рабочий объем ограничен корпусом аппарата и дном, здесь и обрабатывается ягода. Отдельные ее фрагменты через зазор между тарелкой и корпусом, а также через отверстия по- падают в пространство над тарелкой. Поле низко- частотных механических колебаний создается и над тарелкой в объеме жидкости. Однако этот объем ограничен только корпусом, поскольку крышка находится достаточно высоко и жидкость ее не ка- сается. В объеме жидкости над тарелкой вибраци- онное поле малоэффективно. Для увеличения производительности аппарата, а также содержания СВВ в экстракте, способ, опи- санный в [5], предлагается модернизировать. Мо- дернизация заключается в следующем: предлагает- ся загружать твердую фазу (ягоды клюквы) как под тарельчатое пространство, так и над тарелкой, при этом между свободной поверхностью жидкости и крышкой остается свободное пространство высотой 0,02 м. Это позволяет обрабатываемой системе сво- бодно перемещаться внутри аппарат. Кроме того, необходимо снабдить тарелку отбортовкой, направленной не только вниз, но и вверх, что поз- волит интенсифицировать процессы разморажива- ния, разрушения и экстрагирования при движении тарелки как вниз, так и вверх. Таким образом, над тарелкой создается вторая рабочая зона, что позво- лит увеличить коэффициент полезного использова- ния рабочего объема аппарата. Для оценки предло- женной модернизации проведен ряд эксперимен- тов. Экспериментальная установка - аппарат с пер- форированной вибрационной тарелкой [1, 5]. Все элементы установки, соприкасающиеся с твердой и жидкой фазами, выполнены из нержавеющих марок стали. В корпусе аппарата диаметром 0,146 м раз- мещена плоская тарелка диаметром 0,142 м толщи- ной 0,003 м, перфорированная отверстиями диа- метром 0,0025-0,0035 м. При этом доля живого сечения тарелки оставалась постоянной - 16,5 %. Аппарат имеет плоское дно, параллельное плос- кости тарелки. Тарелка имеет возможность совер- шать возвратно-поступательные движения в верти- кальной плоскости с частотой n=13,3-20 Гц. Она жестко закреплена на штоке, который через криво- шипно-шатунный механизм приводится в возврат- но-поступательное движение от электродвигателя постоянного тока, включенного в бытовую электро- сеть через диодный мост и ЛАТР. Амплитуда коле- баний тарелки изменялась с помощью сменных планшайб на валу электродвигателя и принимала значения А=6, 7 и 8 мм. Тарелка по периферии снабжена отбортовкой, равномерно распределен- ной вверх и вниз общей высотой 20 мм. Расстояние от перфорированной тарелки до дна аппарата со- ставляло 0,045 м. Шток помещен в подшипник скольжения, размещенный на крышке за пределами аппарата. Аппарат имеет герметичную крышку, которая устанавливалась на расстоянии 0,02 м от свободной поверхности жидкости. Диапазоны из- менения параметров приняты на основании литера- турных данных и результатов предварительных исследований. Содержание СВВ в экстракте определялось реф- рактометрическим методом [7] с использованием прибора ИРФ-454БМ. Частота вращения вала электродвигателя замерялась с помощью тахометра ТЧ-10Р, классом точности 1. Температура жидкой фазы измерялась ртутным термометром ТЛ-4 с це- ной деления 0,2 °С. Эксперименты выполнялись в 2-3-кратном по- вторении, результаты, отличающиеся более чем на 5 % от средних, отбраковывались. Для анализа приняты средние арифметические значения СВВ. Замороженные при -18 °С ягоды клюквы навеши- вались двумя порциями по 300 граммов, одна порция помещалась под тарелку, а вторая - в пространство над тарелкой. В аппарат заливалась питьевая вода с температурой (18±2) °С в количестве 1200 мл. Гидро- модуль во всех экспериментах оставался постоянным и составлял j=(т/ж)=600/1200=0,5. После этого включался электродвигатель привода и устанавливались заданные параметры вибрации (А и n). Процесс переработки замороженных ягод в поле низкочастотных механических колебаний завершает- ся по достижению постоянных значений СВВ в вод- ном растворе. Далее аппарат опорожнялся, вынима- лась перфорированная тарелка, и суспензия разделя- лась на экстракт и шрот на ситах, а затем на вакуум- фильтровальной установке. Результаты и их обсуждение Данные на рис. 1-3 показывают, что для дости- жения равновесной концентрации СВВ (С, % масс.) в исследуемой системе достаточно 20 мин. Данные, обобщенные линией 4 (рис. 1), получены при пере- работке замороженных ягод клюквы той же партии, но по [5] при d=0,0025 м, n=13,3 Гц, А=0,07 м j=0,5. Увеличение массы ягод в 2 раза по сравнению с [5] предопределяет увеличение концентрации СВВ в готовом экстракте (линии 1, 2, 3 рис.1). Рис. 1. Зависимость выхода СВВ от времени при варьировании частоты колебаний тарелки Характер зависимости выхода СВВ от времени идентичен для линий 4 и 1, 2, 3. Имеет место три периода: первый - до пятой минуты (линии 1-3) и до 7,5 мин (линия 4), второй период - для линий 1- 3 с 5 по 20 минуты и с 7,5 до 17,5 минут (линия 4), третий период соответственно с 20 минуты и далее и с 17,5 минуты и далее. При переработке заморо- женных ягод клюквы в исследуемом аппарате про- исходят процессы: размораживания и выход сока в растворитель (первый период); дробления твердой фазы и начало экстрагирования (второй период); достижения равновесия в системе при данных условиях переработки (третий период). Увеличение времени достижения равновесия с 17,5 до 20 минут можно объяснить увеличением массы перерабаты- ваемых ягод. Конечная температура экстракта при этом составила: для линии 4 - 7 °С, для линии 1-3 - 4-5 °С. При разделении остатков твердой фазы по- сле переработки в аппарате на наборе сит су- щественных различий в размерах частиц не выяв- лено. Неразрушенных ягод не было. Как при реали- зации [5], так и при предложенной модернизации остаток на ситах после высушивания был доста- точно близок по массе, что свидетельствует о возможности совмещения в данном аппарате процес- сов размораживания, диспергирования и экстраги- рования при увеличении в два раза нагрузки по твердой фазе. Скорость перехода СВВ из твердой фазы в жид- кую для линии 4 (рис. 1) существенно ниже, несмотря на близкие параметры (линия 3). Это можно объяснить меньшим количеством перераба- тываемой твердой фазы. Из данных рис. 1 следует, что в процессе размораживания ягод (первый пери- од) в экстрагент переходит 50-60 % СВВ в виде сока (линии 1-4). Второй период более длитель- ный, поскольку происходит разрушение твердых тканей ягод и экстрагирование СВВ. При этом и выделяются оставшиеся СВВ, до наступления рав- новесной концентрации в системе. Характер линии 1-3 на рис. 1-3 во многом идентичен и определяется условиями эксперимен- тов. Из данных следует, что увеличение n, А увели- чивает выход СВВ, и с увеличением d он снижает- ся. Сопоставляя данные на рис. 1-3 можно ут- верждать, что амплитуда колебаний оказывает наибольшее влияние на выход СВВ. В меньшей степени влияет частота колебаний (рис. 1). Рис. 2. Зависимость выхода СВВ от времени при варьировании диаметров отверстий в тарелке Рис. 3. Зависимость выхода СВВ от времени при варьировании амплитуды колебаний тарелки Весь массив полученных экспериментальных данных был обработан на ЭВМ с использованием стандартных пакетов программ, что и позволило получить экспериментально-статистическую мо- дель справедливую для исследуемой системы в диапазонах изменения параметров: d=0,0025- 0,0035 м; n=13,3-20 Гц; А=0,006-0,008 м; j=0,5. C = 1,724 + 0,187 x d2 + 0,034 x n2 + +0,005 x A2 - 0,0014 x d x n x A - (1) -0,115 x d x n - 0,023 x d x A - -0,005 x A x n Полученное выражение (1) имеет коэффициент множественной регрессии R=0,98 и показывает достаточно сложное влияние исследуемых пара- метров на выход СВВ. Наиболее влиятельным фак- тором является амплитуда (рис. 3), она существен- но влияет на выход СВВ как сама по себе, так и в межфакторном взаимодействии, диаметр отверстий оказывает влияние как индивидуальный фактор, но и входит в состав межфакторных взаимодействий. Частота колебаний тарелки влияет как самостоя- тельно, так и в межфакторном взаимодействии (рис. 1-3). Сложность выражения (1) объясняется сложной гидродинамической обстановкой во всем рабочем объеме аппарата. Выражение (1) описывает весь диапазон изменения параметров, где имеют место два основных периода различной зависимости вы- хода СВВ от времени. А также в аппарате создана вторая рабочая зона - над тарелкой. Влияние исследуемых параметров на выход СВВ в обеих зонах различно, несмотря на то, что в обеих зонах создается поле низкочастотных механических ко- лебаний. Рабочая зона под тарелкой ограничена не только корпусом, но и дном аппарата, поэтому исследуемые параметры (A, d, n) здесь оказывают большее влияние на эффективность извлечения СВВ. Рабочая зона над тарелкой заканчивается в вертикальной плоскости свободным пространством высотой 0,02 м от свободной поверхности жидко- сти до герметичной крышки. В верхней зоне влия- ние параметров (A, d, n) на извлечение СВВ мень- ше. Однако это свободное пространство необходи- мо для обеспечения свободной циркуляции перера- батываемой системы. Созданные рабочие зоны различаются по харак- теру воздействия поля низкочастотных механи- ческих колебаний. Под тарелкой объем ограничен стенками корпуса и дном, объем замкнут. На обра- батываемую систему воздействуют образуемые тарелкой струи, а также параметры вибрации (A, n). Тарелка создает наибольшее воздействие на систе- му именно в замкнутом объеме - интенсивное пе- ремешивание за счет изменения движения на про- тивоположное и т.п. Под тарелкой возможно и ме- ханическое воздействие тарелки на элементы твер- дой фазы. Над тарелкой поле низкочастотных ме- ханических колебаний создается в незамкнутом объеме. Этот объем ограничен лишь стенкой аппа- рата, а крышка находится на расстоянии 0,02 м от свободной поверхности жидкости. Воздействие параметров (A, n, d) здесь меньше. Однако твердая фаза подвергается постоянному механическому воздействию от вибрирующей тарелки. Наличие твердой фазы как под перфорирован- ной тарелкой, так и над ней усложняет влияние исследованных параметров на эффективность вы- хода СВВ, кроме того, наличие двухсторонней от- бортовки по периферии тарелки затрудняет условия циркуляции растворителя в объеме аппарата. Одна- ко повышение концентрации СВВ в экстракте поз- волит в дальнейшем снизить энергозатраты при концентрировании экстрактов. Параметры А и n являются определяющими при создании поля низкочастотных механических колеба- ний и установлении необходимой эффективности процесса переработки замороженных ягод клюквы. Диаметр отверстий перфорированной тарелки опре- деляет интенсивность движения потоков жидкой фа- зы в рабочем объеме аппарата, чем меньше d, при одинаковой доле живого сечения, тем выше скорость струй жидкости и интенсивнее перемешивание в си- стеме. Дальнейшее уменьшение d нецелесообразно, поскольку отверстия диаметром менее 0,0025 м заби- ваются косточками ягод и фрагментами твердой фа- зы. Живое сечение тарелки при этом снижается, и ухудшается равномерность перемешивания. Оптимизация параметров осуществлялась с ис- пользованием метода Ньютона в системе Microsoft Excel, результаты приведены в табл. 1. Из приведенных в табл. 1 данных следует, что оп- тимальные параметры работы аппарата соот- ветствуют результатам, представленным на рис. 1-3. Проведение контрольного эксперимента при уста- новленных оптимальных параметрах позволило получить выход СВВ 5,8 %. Это достаточно кор- ректно согласуется с расчетным оптимальным зна- чением. Таблица 1 Оптимальные параметры процесса d, м n, Гц А, м С, % масс. теория практика 0,0025 14 0,008 5,99 5,8 Выводы Предложенное техническое решение позволяет интенсифицировать процесс переработки заморо- женных ягод клюквы в аппарате с вибрационной тарелкой, повысить производительность, содержа- ние СВВ в готовом экстракте, коэффициент полез- ного использования рабочего объема аппарата. Увеличение нагрузки аппарата по твердой фазе в два раза не снижает эффективность осуществляе- мых процессов размораживания, диспергирования и экстрагирования, аппарат пригоден для осу- ществления нескольких технологических про- цессов. Установлено влияние основных параметров на процесс переработки замороженных ягод клюквы в аппарате с вибрационной тарелкой при загрузке ягод в равных долях, как под тарелкой, так и над ней. Определены оптимальные параметры про- цесса. Результаты выполненных исследований показы- вают, что предложенная модернизация способа переработки замороженных ягод целесообразна для дальнейшей разработки.
1. Sorokopud, A.F. Plodovo-yagodnye ekstrakty Zapadnoy Sibiri: teoreticheskie i prakticheskie aspekty: monografiya / A.F. Sorokopud, P.P. Ivanov. Kemerovskiy tehnologicheskiy institut pischevoy promyshlennosti. - Kemerovo, 2014. - 136 s.
2. Ed. By Rechange, M. Nutrient fortification of dairy products: CRC Handbook of nutritional supplements / M. Ed. By Rechange // Florida, USA. - 1983. - P. 515-519.
3. Mann, E. I. Dairy spreads / E. I. Mann // Dairy Industries International. - 1988. - № 12. - P. 17-18.
4. Korotkiy, I.A. Sibirskaya yagoda. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologii nizkotemperaturnogo konservirovaniya. Monografiya / I.A. Korotkiy. Kemerovskiy tehnologicheskiy institut pischevoy promyshlennosti. - Kemerovo, 2007. - 146 s.
5. Pat. 2341979 Rossiyskaya Federaciya. MLK A 231, 1/212. Sposob polucheniya ekstraktov / A.F. Sorokopud, M.V. Sumenkov, zayavitel' i patentoobladatel' GOU VPO Kemerovskiy tehnologicheskiy institut pischevoy promyshlennosti. - № 2007116408 / 11., zayavl. 02.05.2007, opubl. 27.12.2009, byul. № 36.
6. Lekarstvennye rasteniya: spravochnoe posobie / N.K. Grenkevich [i dr.]. - M.: Vyssh. Shk., 1991. - 398 s.
7. GOST 28562-90. Produkty pererabotki plodov i ovoschey. Refraktometricheskiy metod opredeleniya rastvorimyh suhih veschestv. - Vved. 1991-07-01. - M.: Standartinform, 1990. - 12 s.
8. Antioxidant activities and bioactive components in some berries / J. Namiesnik, M. Kupska, K. Vearasilp, K.S. Ham, Kang, Y.K. Park, D. Barasch, A. Nemirovski, S. Gorinstein // European food research and technology. - 2013. - № 5. - P. 819-829.
