Целью исследований является разработка технологии получения порошков сельхозпродуктов с помощью солнечной энергии. Объектом исследований являются сельхозпродукты и тепловые процессы с использованием солнечной энергии. В исследованиях использованы экспериментальные методы. Результаты исследований и разработанная технология могут быть использованы в технологии пищевой промышленности.
Ключевые слова: сельхозпродукты, измельчение, пастообразный продукт, солнечная энергия, нагревательный элемент, теплота испарения, этапы сушки, остаточная влажность, порошок
Keywords: agriculturalproducts, milling, pastyproduct, solar energy, the heating element, the heat of evaporation, drying stages, residualmoisture, powder
В работах [1, 2] описана разработанная нами солнечная сушильная установка (ССУ) для получения порошков сельхозпродуктов. В данной статье приведены результаты экспериментов по сушке сельхозпродуктов с целью получения их порошков.
В порошковом состоянии сельхозпродукты, как известно, хранятся долго и удобны в потреблении. Этому способствует малая остаточная влажность порошковых продуктов, составляющая не более 5–8 %. Это намного меньше, чем в обычных сушеных сельхозпродуктах — 15–18 % [3, 4].
Эксперименты проводились с 13 видами фруктовых и бахчевых продуктов: вишня, виноград, черешня, урюк (два сорта), персик, слива, яблоко, груша, арбуз, дыня, томаты и морковь.
Предварительно высушиваемые продукты превращались в равномерную пастообразную массу в бытовом измельчителе. Затем огни клались в специальные поддоны из пищевой стали размерами 350х375 мм и высотой бортиков в 6±1 мм. Толщина материала поддонов составлял 0,5 мм. Начальная толщина продуктов составлял 6±1 мм.
На части продуктов накладывались нагревательные элементы в виде прямо-угольных корыт длиной 330 мм и шириной 30мм и высотой борта 5мм, изготовленных из пищевой стали толщиной 1 мм. Верхняя часть этих элементов, обращенная к Солнцу, покрывались черным печным лаком со средним коэффициентом поглощения 90–92 %. Средний вес нагревательного элемента составлял 125±5г. Площадь его контакта с продуктом составлял 99 см2. Таким образом, давление нагревательного элемента на пастообразный продукт составлял 1,26 г/см2.
При наложении нагревательных элементов на продукты они погружаются в продукты на 0,6–1,8 мм в зависимости от их мягкости. Меньше всего нагревательные элементы углубляются в пастообразные продукты с толстой кожурой, а также в морковь и грушу, имеющие волокнистую структуру твердого скелета. Больше всего нагревательные элементы углубляются в мягкие, очищенные от кожуры продукты (арбуз, томаты, персик).
Сушка пастеризованных продуктов проводилась в солнечной сушильной установке конвективного типа (ССУ) и параллельно, открытом воздухе (воздушно-солнечная сушка — ВСС).
ССУ содержит воздухонагревательный коллектор площадью приемной поверхности 780х1280 мм и камеру сушки с такой же поверхностью приемника солнечного излучения и имела верхнее прозрачное ограждение из плоского листового стекла толщиной 4,7 мм. В камере сушки располагаются 6 поддонов с продуктами.
С целью изучения влияния непосредственного нагрева от нагревателей часть поддонов не имели нагревательные элементы и продукты нагревались только прямым солнечным излучением.
Эксперименты проводились в следующих вариациях:
- Воздушно-солнечная сушка пастеризованного продукта в поддоне (П), без нагревательных элементов;
- Воздушно-солнечная сушка пастеризованного продукта в поддоне с нагревательными элементами (П+НЭ);
- Сушка пастеризованного продукта в ССУ в поддоне (П) без нагревательных элементов;
- Сушка пастеризованного продукта в ССУ поддоне с нагревательными элементами (П+НЭ).
Из солнечного воздухонагревательного коллектора (СВК) горячий воздух поступает в камеру сушки ССУ. Таким образом, продукты нагреваются как горячим воздухом, поступающим из СВК, так и непосредственно солнечным излучением.
Эксперименты проводились в июле-августе месяце 2014 г. для примера рис 1 и приведены результаты сушки томатов и персика.
Рис. 1. Результаты сушки томатов: 1 и 2 — сушка в солнечной сушильной установке (1- в поддоне с нагревательным элементом) 2 – в поддоне без нагревательного элемента); 3 –4 — воздушно-солнечная сушка (1- в поддоне с нагревательным элементом) 2- в поддоне без нагревательного элемента); 5 – плотность интегральной солнечной радиации
Как видно из рисунков, при сушке продуктов в пастообразном виде с разрушенными капиллярами процесс сушки за исключением начальных этапов сушки, когда происходит разогрев продукта, имеет практически одинаковую скорость. На конечном этапе сушки во всех вариантах скорость сушки замедляется и при достижении предельной остаточной влажности практически прекращается.
Рис. 2. Результаты сушки персика (обозначения те же, что и на рис.1)
Например, томаты высушенные в виде пасты в процессе сушки теряют до 85,2 % своей массы. Если учесть, что томаты состоят из 90 % воды, то остаточная влажность высушенного продукта составляет всего 5,2 %.
Аналогично, персик теряет до 82,2 % своей массы. Остаточная влажность составляет 7,2 %.
Как показали наши эксперименты, толщина продукта около 6 мм является оптимальной с точки зрения испарения влаги с такой массы продуктов в течение одного светового дня при плотностях солнечной радиации, наблюдающейся в летнее время в условиях Средней Азии. При больших толщинах продуктов, они не успевают высохнуть до достаточно низкой остаточной влажности и остаются мягкими, что не позволяет превратить их в порошок.
При более низких значениях плотности солнечной радиации следует уменьшить толщину высушиваемого продукта.
Следует отметить, что при сушке пастообразных продуктов не наблюдается имеющее место при сушке обычных сельхозпродуктов двухэтапный процесс сушки. Испарение влаги происходит как от свободной поверхности воды. Это объясняется достаточно короткими длинами разрушенных капилляров и выходом воды из их и нахождением воды в пространстве между мелкими частицами пастообразного продукта. Испарение влаги с такого продукта практически до окончания процесса сушки идет как от свободной поверхности воды.
При сушке пастообразных продуктов не наблюдаются традиционные для целых или разделенных на дольки продуктов различие первого и второго этапов сушки.
В конце сушки продукты имеют низкую остаточную влажность, достигающие 5–8 %. Измельчением в бытовой кофемолке их легко можно превратить в порошок.
Для продуктов, содержащие много сахара потребуется дополнительная досушка, например, вакуумно-сублимационным методом.
Нами также исследована усадка пастообразных продуктов при солнечной сушке.
Уменьшение размеров каркасов продуктов в свою очередь оказывает влияние на кинетику сушки продукта. Уменьшаются диаметры капилляров, наполненные водой, меняются их геометрические формы, что несомненно влияет на гидродинамическое сопротивление капилляров, следовательно, на скорость испарения влаги из продукта [6–8]. Результаты экспериментов, проведенных в июле-августе месяце 2014 г. приведены в табл. 1.
Таблица 1
Усадка продуктов впроцессе их сушки (δо = 6±0,5мм)
|
№ пп |
Вид пастеризованного продукта |
ВСС |
ССУ |
||||
|
П мм/% |
П+НЭ мм |
П/(П+НЭ) % |
П, мм/% |
П+НЭ мм |
П/(П+НЭ) % |
||
|
1 |
Урюк-1 |
1,77/25,3 |
1,70/24,3 |
3,9 |
1,86/26,5 |
1, 78/25,4 |
4,3 |
|
2 |
Урюк-2 |
2,02/28,8 |
1,94/27,7 |
3,9 |
2,16/30,8 |
2.07/29,6 |
4,1 |
|
3 |
Черешня |
2,53/36,1 |
2,48/35,4 |
2,0 |
2,72/38,8 |
2,64/37,7 |
2,9 |
|
4 |
Вишня |
2,47/35,3 |
2,41/34,4 |
2,4 |
2,55/36,4 |
2.48/35,4 |
2,7 |
|
5 |
Яблоко |
2,13/30,4 |
2,04/29,1 |
4,2 |
2,21/31,6 |
2,17/31,0 |
3,1 |
|
6 |
Груша |
2,32/33,1 |
2,27/32,4 |
2,1 |
2,37/33,8 |
2,31/33,0 |
1,6 |
|
7 |
Персик |
1,64/23,4 |
1,56/22,3 |
4,8 |
1,73/24,7 |
1,67/23,8 |
3,4 |
|
8 |
Слива |
2,20/31,4 |
2,14/30,5 |
2,7 |
2,37/33,8 |
2,29/32,7 |
3,3 |
|
9 |
Виноград |
2,66/38,0 |
2,56/36.5 |
3,7 |
2,75/39,2 |
2,66/38,0 |
3,2 |
|
10 |
Дыня |
2,45/35,0 |
2,37/33,8 |
3,2 |
2,50/35,7 |
2,41/34,4 |
3,6 |
|
11 |
Арбуз |
1,23/17,6 |
1,19/17,0 |
3,2 |
1,28/18,2 |
1,24/17,7 |
3,1 |
|
12 |
Томаты |
1,54/22,0 |
1,48/21,1 |
3,9 |
1,61/23.0 |
1,53/21,8 |
4,9 |
|
13 |
Морковь |
2,28/32,6 |
2,21/31,5 |
3,0 |
2,38/34,0 |
2,33/33,3 |
2,1 |
Как видно из таблицы, при воздушно-солнечной сушке продуктов в поддонах их толщина уменьшается до 17,6 (арбуз) и до 38,0 % (виноград) от первоначальной толщины. Продукты, имеющие достаточно толстые кожуры (виноград, черешня, вишня, слива а также дыня уменьшаются в толщине от 33 до 35 %.
Более мягкие, не имеющие толстую кожуру продукты садятся больше (арбуз, томаты, персик). Их конечная толщина от первоначальной составляет от 17,6 % до 22,0 %.
Вес нагревательного элемента незначительно влияет на усадку продуктов. Разница в усадке продуктов без нагревательного элемента и с нагревательным элементом составляет всего от 2 % до 4,8 % при воздушно-солнечной сушке и от 1,6 до 4,9 % при сушке в солнечной сушильной установке.
Если сравнить усадку продуктов, высушенных в естественном виде или разделенных на дольки, то усадка в случае пастообразных продуктов почти в полтора — два раза больше [6, 7]. Это объясняется разрушением скелета продуктов при их измельчении и превращении в пастообразную массу.
Сравнение результатов наших экспериментов с результатами сушки естественных и разделенных на дольки продуктов показывает, что усадка продуктов при их сушке в пастеризованном виде в 1,5–2 раза больше. Это, по-видимому, объясняется разрушением скелета продуктов и их уплотнением уже на этапе их измельчения.
Литература:
- Исманжанов А. И., Ташиев Н. М., Абдырахман уулу К. Разработка солнечной сушильной установки для получения порошков сельхозпродуктов // Известия ОшТУ, № 2, -С. 194–197.
- Исманжанов А. И., Абдырахман уулу К., Ташиев Н. М. Солнечная сушильная установка. Патент Кыргызской Республики № 1615, МПК6 F 24 J 2/46, F 26 B 17/09.
- Лыков А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968, 472 с.
- Филоненко Г. К., Гришин М. А., Гольдберг Я. М., Коссек В. К. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971, 300 с.
- Исманжанов А. И., Клычев Ш. И. Солнечные сушильные установки и комплексы. Расчет и проектирование. Бишкек, Илим, 2011, 131 с.
- Мирзаев М. М., Кузнецов В. В., Бороздин В. В., Хоупов В. В. Воздушно-солнечная сушка плодов и винограда. – М.: Колос, 1965, – 255 с.
- Умаров Г. Г., Мирзияев Ш. М., Юсупбеков О. Н. Гелиосушка сельхозпродуктов. – Ташкент, Фан, 1994, – 152 с.
- Исманжанов А. И., Клычев Ш. И. Солнечные сушильные установки и комплексы. Расчет и проектирование. Бишкек, Илим, 2011, 131 с.
