Наукове обґрунтування процесів та удосконалення обладнання виробництва концентрованих продуктів з плодоовочевої 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 вирішенню науково-технічної проблеми забезпечення населення України високоякісними концентрованими продуктами з плодоовочевої сировини (ПОС) і зниження собівартості продукції при мінімальних втратах сировини за рахунок впровадження економічно обгрунтованих способів виробництва та ресурсозберігаючого обладнання, що підвищує конкурентоспроможність переробних підприємств. В основу створення нових ефективних способів виробництва концентрованих продуктів із ПОС високої якості за мінімальних втрат сировини покладено розробку теорії процесів і вдосконалення обладнання на основі створення теоретичних моделей гідромеханічних, тепломасообмінних процесів, що базується на структурно-механічних характеристиках продуктів. Запропоновано нові способи виробництва пастоподібного концентрату напоїв (ПКН) і цукатів із ПОС, розроблено конструкцію ефективної шнекової скребкової мішалки (ШСМ), встановлено раціональні параметри досліджених процесів та обладнання. Доведено економічну ефективність науково-технічних розробок і здійснено заходи з упровадження їх у виробництво та навчальний процес.

Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы обеспечения населения Украины высококачественными концентрированными продуктами из плодоовощного сырья (ПОС) и снижения себестоимости продукции при минимальных потерях сырья за счет внедрения экономически обоснованных способов производства и ресурсосберегающего оборудования, что повышает конкурентоспособность перерабатывающих предприятий. В основу создания новых эффективных способов производства концентрированных продуктов из ПОС высокого качества при минимальных потерях сырья положена разработка теории процессов и усовершенствование оборудования на основе создания теоретических моделей гидромеханических, тепло-массообменных процессов, которые базируются на структурномеханических характеристиках продуктов. Предложены ресурсозберегающие способы производства концентрированных продуктов из ПОС, в частности пастообразных концентратов напитков (ПКН) и цукатов, которые предусматривают на этапе концентрирования проведение процессов вакуумного уваривания (для ПКН) и вакуумной сушки (для цукатов). Реологическими исследованиями доказано, что рациональными значениями физико-механических параметров являются: размер частиц для ПКН − (1±0,1)∙10-4 м, для цукатов – (1,8±0,1)∙10-3 м, концентрация сухих веществ – 76±1% и 86±1% соответственно. Определено влияние рабочих параметров (температуры, давления) в процессах уваривания, транспортирования, дозирования, формования на структурно-механические характеристики, тиксотропные свойства и плотность концентрированных продуктов из ПОС. Установлены рациональные значения рабочих параметров при производстве ПКН и цукатов, которые могут использоваться при проектировании ресурсосберегающего оборудования. Показано, что разработанные ПКН и цукаты являются неньютоновськими жидкостями, «густыми пастами» и относятся к твердообразным неидеальнопластичным системам, имеют коагуляционную структуру и проявляют тиксотропные свойства. Получены теоретические зависимости для определения компрессионных характеристик для разных режимов деформации высоковязких концентрированных продуктов и их поверхностных характеристик в условиях липкости к разным конструкционным материалам, которые могут использоваться при проектировании транспортирующего и других видов перерабатывающего оборудования с учетом их реологических особенностей. Разработана физическая модель реодинамики высоковязких концентрированных продуктов и установлена зависимость потерь давления на трение при их течении от скорости транспортирования и геометрических параметров трубопроводов, а также теоретическая модель течения высоковязкой жидкости в круглых трубах с учетом частичного скольжения по стенкам оборудования, что соответствует реальному поведению таких жидкостей. Разработана методика расчета транспортирующих трубопроводов, которая учитывает реологические особенности продуктов. Осуществлено численное моделирование процесса течения ПКН и цукатных масс по прямоугольным каналом шнекового нагнетателя. Показано, что высота шнекового канала практически не влияет на расход жидкости, поэтому можно уменьшить его высоту в 2 раза и тем самым снизить себестоимость изготовления шнека нагнетателя. Разработана теоретическая модель процесса течения цукатной массы при формировании неидеальнопластичных жидкостей, которые по структуре являются подобными цукатам, и получены теоретические зависимости для расчета ресурсосберегающего формующего оборудования. Предложена конструкция шнековой скребковой мешалки (ШСМ) для перемешивания высоковязких жидкостей, которая выполнена в виде непрерывной винтовой спирали с закрепленными на ней скребками. Разработана гидродинамическая модель перемешивания неидеальнопластичных жидкостей и определены рациональные значения угла атаки скребка ШСМ. Доказано, что при использовании ШСМ затраты энергии при перемешивании на 20...50% меньше, а эффективность теплоотдачи при вакуумном уваривании на 50...55% больше, чем при использовании традиционной якорной мешалки. Получено критериальное уравнение теплоотдачи в процессе вакуумного уваривания ПКН, которое может быть использовано при проектировании теплообменного оборудования с перемешивающими устройствами. Исследования кинетики вакуумной сушки ПОС, как основного процесса концентрирования сырья при производстве цукатов, позволили получить уравнения для расчета кинетических коэффициентов и продолжительности вакуумной сушки. Установлено, что при производстве ПКН и цукатов потери биологически активных веществ (БАВ) не превышают 10%. Содержание БАВ в напитках, полученных из ПКН, и цукатах, соответственно, в 1,5 и 2,2 раза больше, чем в аналогичных продуктах, производимых традиционными способами. Гарантийный срок хранения ПКН и цукатов без снижения качества составляет 15±0,5 месяцев. Разработаны две технологических линии для производства ПКН и цукатов. Расчет экономической эффективности свидетельствует о снижении стоимости напитка из ПКН и цукатов, соответственно, на 80 и 34%. Экономический эффект от внедрения разработанных продуктов составляет 354 тыс. грн в год. Разработана нормативная и проектная документация на производство ПКН и цукатов. Проведены промышленные испытания с выпуском опытных партий продукции (до 3 тыс. кг) и осуществлено внедрение научных разработок в учебный процесс. Новые продукты (ПКН и цукаты) были представлены на многочисленных выставках, получили высокую оценку на дегустациях разного уровня и рекомендованы к широкомасштабному внедрению.

The dissertation is devoted to the solution of scientific and technical problem of providing population of Ukraine with high-quality concentrated products from raw fruit and vegetables (RFV) and reduction of products’ cost price with minimal wastes of raw material due to the introduction of economically substantiated methods of production and resource-saving equipment that raises productivity of processing industry. Creation of new effective ways of producing high quality concentrated products with RFV with minimal expenses of raw material grounds on the development of the theory of processes and improvement of equipment on the basis of creating theoretical models of hydro-mechanical, heat- and mass-exchanging processes, which rests upon structural-mechanical characteristics of products. New ways of producing paste-like concentrate of beverages (PLCB) and candied fruit with RFV are proposed. The construction of effective screw scrapper mixer (SSM) is designed. Rational parameters of the investigated processes and equipment are determined. Economic efficiency of scientific and technical developments is proved; a set of measures is performed for their implementation into production and educational process is realized.