Наукові основи аналізу та керування кінетикою сушіння харчової сировини: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертацію присвячено розробці наукових методів аналізу та керування кінетикою сушіння харчової сировини з метою зниження енерговитрат і підвищення якості готової продукції. В основу покладено наукову концепцію про визначальний вплив структури вологи в харчовій сировині на сполучені процеси перенесення маси, енергії та імпульсу, кінетика яких зумовлює існування та вибір раціональних технологій сушіння та способів їхньої апаратної реалізації. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено ефект динамічного структурування вологи, що полягає в зміні кількісного співвідношення між вільною та зв'язаною вологою. Запропоновано класифікацію харчової сировини як об'єкта сушіння за структурно-енергетичним параметром, що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи та враховує особливості капілярної структури сировини. Отримано систему диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення маси, енергії та імпульсу, яка враховує структурно-енергетичну та реологічну модель харчової сировини. Розроблено концепцію оптимального керування кінетикою сушіння харчової сировини, яка полягає у виборі алгоритму зміни параметрів сушильного агента, що забезпечує мінімізацію однієї з трьох цільових функцій: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами. Наведено приклади раціональних режимів сушіння окремих видів харчової сировини для низькоінтенсивних і високоінтенсивних способів сушіння, які забезпечують зниження енерговитрат на 10...40% і зменшення втрат вітамінного складу на 10...30%

Диссертация посвящена разработке научных методов анализа и управления кинетикой сушки пищевого сырья с целью снижения энергозатрат и повышения качества готовой продукции. В основу положена научная концепция об определяющем влиянии структуры влаги в пищевом сырье на сопряженные процессы переноса массы, энергии и импульса, кинетика которых обуславливает существование и выбор рациональных технологий сушки и способов их аппаратной реализации. В основу концепции положено молекулярно-кинетическое представление о влаге как системе слабо взаимодействующих частиц, которые находятся в поле сил Ван-дер-Ваальса. При этом молекулярно-кинетическая граница деления молекул на “свободные” и “связанные” определяется из равенства их потенциальной и кинетической энергии, а их количественное соотношение рассчитывается из распределения Максвелла-Больцмана. На основе этой модели получено аналитическое описание структуры влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах, которое позволяет рассчитывать количество “свободной” и “связанной” влаги и ее энергию связи. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект динамического структурирования влаги, который заключается в изменении количественного соотношения между свободной и связанной влагой под влиянием механических деформаций, вследствие усадки или набухания сырья и температурных изменений в сопряженных процессах переноса. Получены аналитические зависимости, которые описывают этот эффект. Разработана молекулярно-кинетическая модель процессов сорбции-десорбции, которая позволяет анализировать экспериментальные изотермы пищевого сырья и определять энергию связи, количество свободной и связанной влаги, дифференциальную функцию распределения капилляров по радиусам. В результате проведенного анализа предложена классификация пищевого сырья как объекта сушки по структурно-энергетическому параметру, который представляет отношение средних затрат энергии на удаление связанной влаги к затратам на удаление свободной влаги и учитывает особенности капиллярной структуры сырья. Приведены данные о величине структурно-энергетического параметра, характеристиках пористой структуры и энергии связи для разного пищевого сырья: зерна, овощей, фруктов, макаронных изделий. На основе закона сохранения физической субстанции и феноменологических законов переноса получена система дифференциальных уравнений кинетики сопряженных процессов переноса массы, энергии и импульса, учитывающая структурно-энергетическую и реологическую модель пищевого сырья. Найдено ее аналитическое решение и получены уравнения для определения кинетики свободной, связанной влаги, температуры, давления парогазовой смеси, деформации и механических напряжений. Полученные уравнения положены в основу анализа экспериментальных данных о кинетике сушки, суть которого состоит в определении влияния параметров сушильного агента на средние коэффициенты переноса массы, энергии, импульса, тепло-массообменные и структурно-механические характеристики пищевого сырья. Для автоматизации анализа экспериментальных данных создан комплекс программного обеспечения для обработки изотерм сорбции-десорбции, кинетики влагосодержания, температуры, давления и деформации в процессе сушки. На основе обобщения экспериментальных данных и полученных аналитических зависимостей разработана концепция оптимального управления кинетикой сушки пищевого сырья, заключающаяся в выборе алгоритма изменения параметров сушильного агента, обеспечивающего минимизацию одной из трех целевых функций: ограничение по потерям биологически активных веществ, ограничение по максимальным механическим напряжениям, ограничение по энергозатратам. В основе алгоритмов лежат аналитические выражения, описывающие влияние параметров сушильного агента на изменение концентрации биологически активных веществ, кинетику тепло-массобменных и структурно-механических процессов в пищевом сырье. Для практической реализации алгоритмов разработаны двухступенчатые технологические режимы для сушки и копчения. Приведены примеры рациональных режимов сушки отдельных видов пищевого сырья для низкоинтенсивных и высокоинтенсивных способов сушки, которые обеспечивают снижение энергозатрат на 10…40% и уменьшение потерь витаминного состава на 10…30%. Разработаны высокоточные методики расчета сушильных установок, учитывающие кинетику свободной и связанной влаги, гидродинамику в объеме конвективных сушилок, которые позволяют повысить эффективность проектно-конструкторских и технологических работ за счет снижения сроков разработок и финансовых затрат. Создан комплекс программного обеспечения для автоматизации инженерных расчетов конвективных сушилок различных типов. Описанные методики внедрены при разработке серии высокоэффективного оборудования для сушки, копчения и гидротермической обработки пищевого сырья, производительностью от 20 до 200 кг/ч по сырью. Отличительной особенностью этого оборудования является мощная аэродинамическая система с оптимальной конфигурацией вентиляционных каналов, возможность регулирования влажности среды, электронный блок управления, модульно-сборная конструкция корпуса. Проведены испытания и внедрение в производство проектно-технической документации, технологий и оборудования. Определены перспективные направления развития методов оптимального управления процессами сушки для широкого ассортимента пищевого сырья.

The dissertation is dedicated to the development of the scientific methods of analysis and control of the drying kinetics of food raw material for the purpose of a decrease power consumption and improvement in the quality of finished production. The scientific concept is based upon the determining influence of the structure of moisture in the food raw material on the conjugate processes of mass, energy and pulse transfer, kinetics of which specifies existence and selection of rational drying technologies and methods of their apparatus realization. The effect of dynamic structurization of a moisture, which consists in change of a quantitative ratio between the free and bound moisture is theoretically proved and experimentally confirmed. The classification of food raw material as object of drying on the structurally-power parameter is offered, which representing the attitude of average energy expenses on removal of bound moisture to expenses for removal of free moisture. The system of the differential equations of kinetics for the conjugate mass, energy and pulse transfer processes is obtained on the basis of structural  energy and rheological model of food raw material. The concept of optimum control drying kinetics of the food raw material, consisting in choice algorithm of change of parameters drying agent providing minimization by one of three criterion functions is developed: restriction on losses of biologically active substances, restriction on the maximal mechanical pressure, restriction on power inputs. Examples of rational drying modes for separate kinds of food raw material for low intensity and high-intensity ways of drying are resulted, which provide decrease in power inputs on 10…40 % and reduction of vitamin losses on 10…30 %.