05 марта 2016г.
Переработка плодово-ягодного сырья, в основу которой положен процесс экстрагирования, является перспективным способом получения экстрактов, настоев, концентратов биологически активных веществ, витаминизированных безалкогольных напитков и др. [1, 4]
Разработка экстракторов, реализующих метод наложения на обрабатываемую систему поля низкочастотных механических колебаний, является актуальной, поскольку позволяет существенно интенсифицировать проведение процесса экстрагирования [3].
Важным этапом разработки является изучение характера влияния режимных параметров – частоты и амплитуды колебаний вибрационной насадки – на переработку замороженного плодово-ягодного сырья, поскольку от этих параметров зависит не только скорость процесса экстрагирования, но и энергопотребление разрабатываемой конструкции экстрактора с вибрационной насадкой.
Цель исследования заключается в определении оптимальных режимных параметров переработки плодово- ягодного сырья.
Исследования проводились на лабораторном экстракторе с вибрационной насадкой периодического действия (Риснок 1).
Экстрактор представляет собой цилиндрический корпус 1 диаметром 140 мм, в котором соосно установлена вибрационная насадка, состоящая из штока 2 и жестко закрепленной на штоке перфорированной тарелки 3, имеющей по периметру отбортовку. Шток совершает возвратно-поступательное движение посредством кривошипно-шатунного механизма 4, соединенного ременной передачей с электродвигателем.
Изменение частоты колебаний
вибрационной насадки обеспечивалось изменением передаточного отношения ременной передачи
за счет использования комплекта
сменных шкивов, устанавливаемых на валы электродвигателя
и приводного механизма. Изменение амплитуды
колебаний вибрационной насадки
достигалось регулированием длины кривошипа.
В качестве перерабатываемого сырья использовались плоды рябины красной обыкновенной, собранные
в Кемеровском плодопитомнике ОАО «Плодопитомник-1». Сырье подвергалось замораживанию в течение 6 часов при температуре минус 18 °С, что позволило сформировать внутри плодов
крупные кристаллы льда, способствующие частичному разрушению клеточной структуры
[2].
В качестве экстрагента использовалась вода питьевая температурой 20 °С, соответствующая требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.
Эксперименты проводились по следующей
схеме: 0,5 кг замороженных плодов рябины красной загружали под вибрационную тарелку
экстрактора и заливали 2 л экстрагента. После
включения электродвигателя через каждые 60 с, а при интенсивных режимах работы, с частотой колебаний более 10 Гц – через каждые 20 с – производилось взятие
проб экстракта. Пробы фильтровались через фильтровальную бумагу
ГОСТ 12026-76, после чего в них определялось содержание сухих растворимых веществ с использованием рефрактометра ИРФ 454 Б2М. Эксперимент проводился до достижения равновесной концентрации, значение которой составляло 4,2
%масс.
Изучаемые параметры варьировались в следующем диапазоне: амплитуда колебаний
– от 6 до 8 мм, частота колебаний – от 6,7 до 16,7 Гц. Конструктивные параметры принимались, исходя из результатов предварительных исследований: диаметр отверстий перфорации в тарелке 3 мм, зазор между внутренней стенкой корпуса и краем тарелки 2 мм, доля живого сечения тарелки 0,16, расстояние
от дна экстрактора до тарелки 100 мм.
Технико-экономическая эффективность исследуемого режима оценивалась величиной расхода энергии на переработку Э, Дж, полученной в результате интегрирования экспериментальной зависимости полезной мощности NП, Вт, затрачиваемой вибрационной насадкой. Последняя является функцией времени, значения которой определяются следующим образом
NП = N - NХХ , (1)
где N – мощность по ваттметру, Вт;
NХХ – мощность холостого хода электродвигателя экстрактора, Вт.
Анализ полученных результатов показал
наличие оптимальной частоты
колебаний fОПТ для соответствующих
значений амплитуды
(рис. 2).
Из Рисунка 3 видно, что снижение
количества подводимой энергии
на проведение переработки достигается за
счет сокращения ее продолжительности, ввиду повышения частоты колебаний
вибрационной насадки. Это объясняется увеличением количества кинематических циклов, способствующих ускорению локального процесса измельчения перерабатываемого сырья и высокой турбулизации обрабатываемой среды.
Посредством анализа Рисунков 2 и 3 можно сделать
вывод, что повышение
частоты колебаний выше оптимального значения не ведет к существенному увеличению скорости локального процесса
экстрагирования, поскольку в таком случае,
наряду с увеличением удельной
кинетической энергии образующихся струй жидкости, уменьшается период их существования, обратно пропорциональный частоте колебаний
вибрационной насадки.
Анализ выражения (2.4) позволил
определить оптимальные параметры переработки замороженных плодов рябины красной в исследуемом экстракторе: A = 7,2 мм; f = 12,86
Гц, которые соответствуют глобальному минимуму функции Э = 11360
Дж.
Таким образом,
режимные параметры
оказывают существенное влияние на скорость
переработки плодово- ягодного сырья и
на
энергопотребление экстрактора с вибрационной насадкой, для снижения
которого требуется поиск оптимальных значений
этих параметров.
Список литературы
1.
Домарецкий В.А. Производство концентратов, экстрактов и безалкогольных напитков. Справочник. – К.:«Урожай», 1990. – 246 с.
2. Короткий И.А. Сибирская ягода. Физико-химические основы технологий низкотемпературного консервирования [Текст]: монография. – Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,
2007. – 146 с.
3. Сорокопуд, А.Ф. Использование системного анализа
при исследовании аппаратов
с вибрационной насадкой / А.Ф. Сорокопуд, П.П. Иванов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы
и аппараты пищевых производств». – 2014. – №1 Режим доступа: http://processes.open-mechanics.com/articles/938.pdf (24 октября 2015)
4. Шобингер У. Фруктовые и овощные соки: научные основы и технологии / пер. с нем. под общ. науч. ред. А.Ю. Колеснова, Н.Ф. Берестеня
и А.В. Орещенко. – Спб: Профессия, 2004. – 640 с., ил.
