Удосконалення технологічної лінії з виробництва консервованної квасолі

Abstract

Метою даної роботи є удосконалення технологічної лінії з виробництва консервованої квасолі. На підставі цієї мети здобувачем було сформульовано наступні завдання досліджень: проаналізувати технологію, режимні параметри виробництва та розробити спосіб консервування квасолі із замочуванням за умов електроконтактного нагрівання (ЕКН); розробити експериментальну установку для дослідження процесів замочування квасолі; дослідити процеси замочування бобів квасолі; дослідити вплив напруги електричного струму ЕКН на тривалість процесу замочування квасолі; дослідити органолептичні показники отриманої продукції «Квасоля у томатному соусі вищого ґатунку»; розробити технологічну лінію; виконати проектування обладнання лінії (імпеллерного насосу, сепаратора поділу квасолі за сортністю, здрібнювача квасолі та гвинтового конвеєра); розробити новий пристрій для замочування квасолі тепловим методом з ЕКН робочого агенту; сформулювати вимоги щодо технології монтажу, наладки та ремонту обладнання; визначити ефективність прийнятих у проекті рішень та впровадити результати роботи у виробництво та навчальний процес ДБТУ. Основна гіпотеза роботи полягає у тому, що здійснення процесу замочування гарячим методом з ЕКН дозволяє зменшити енерговитрати та забезпечити виробництво продукції з високими якісними показниками. Об'єктом досліджень є процес замочування бобів квасолі універсального сорту «Рант» з відносною вологістю 15 %. Предметом дослідження є технологічна лінія із виробництва консервованої квасолі, пристрій для замочування квасолі тепловим методом з ЕКН робочого агенту та готова продукція «Квасоля у томатному соусі вищого ґатунку». Використовувались сучасні методи теоретичних та експериментальних досліджень динаміки зміни маси, електричних показників, енерговитрат та показників якості продукції. Основним результатом роботи є обгрунтування раціональних параметрів процесу виробництва на етапі замочування в технології консервування квасолі для забезпечення високих якісних характеристик отриманої продукції. У межах роботи підтверджувалась інноваційна пропозиція щодо замочування квасолі за умов ЕКН, що сприятиме зменшенню енерговитрат та забезпеченню виробництва продукції з високими якісними показниками. Доведено, що найменш енерговитратним є холодний метод замочування, але зважаючи на значну тривалість та ризик отримання продукції незадовільної якості, його використання прийнято недоцільним. Для реалізації гарячого методу, який не виявив подібних недоліків, ефективним з точки зору енергозбереження є метод замочування за умов ЕКН. У 1-му розділі представлено результати роботи із розробки способу виробництва консервованої квасолі. Констатується факт існування проблеми щодо реалізації виробництва консервованої квасолі на етапі замочування. Забезпечення ефективності процесу та гарантованої якості продукції можлива за рахунок використання ЕКН, який не має відпрацьованих режимів низькотемпературного нагрівання під час замочування квасолі. Доцільним є проведення досліджень процесу замочування за різних режимів, що дозволить досягти ефекту інтенсифікації. Згідно запропонованого способу передбачається приймання бобів квасолі на підприємство, підготовка компонентів соусу, підготовка тари та стерилізація консерви. Обробка бобів квасолі має здійснюватись у такі етапи: замочування з використанням ЕКН, бланшування, охолодження, вологовідділення, пневматичне доочищення, дозування, закупорювання у тару, стерилізація, охолодження, етикетування консерви. У 2-му розділі визначено об’єкт та предмет досліджень. Наведено конструкцію та принцип роботи експериментальної установки для досліджень процесів замочування квасолі. Установка представляє собою робочу теплоізольовану ємності, утворену двома кожухами. Робоча ємність наповнюється сумішшю квасолі та води. Забезпечення ЕКН здійснюється парою електродів. Забезпечення нагрівання теплопередачею здійснюється нагрівальною спіраллю. Установка працює у трьох режимах: замочування квасолі холодним методом, гарячим методом із нагріванням від спіралі та гарячим методом з ЕКН. Зазначено, що обробка отриманих експериментальних даних у роботі проводилась методами математичної статистики та кореляційного аналізу з використанням сучасної електронно-обчислювальної техніки. У 3-му розділі – результати комплексу експериментальних досліджень досліджувався процес замочування бобів квасолі – холодним способом за кімнатної температури, гарячим способом з нагріванням від спіралі, гарячим способом з електроконтактним нагріванням. Доведено, що найменш енерговитратним є холодний метод, але зважаючи на значну тривалість та ризик отримання продукції незадовільної якості, його використання прийнято недоцільним. Для реалізації гарячого методу, який не виявив подібних недоліків, ефективним з точки зору енергозбереження є метод замочування за умов електроконтактного нагрівання. Проведено дослідження тривалості замочування квасолі від потужності нагрівання, яку визначає напруга електричного струму. Найменша тривалість процесу (2…3 год.) відповідає напрузі 48…55 В за потужності близько 130 Вт. Температура робочого середовища за таких умов складала біля 70 °С. При цьому отримана сировина не відповідає якісним показникам за зовнішнім виглядом. Напруга електричного струму, що могла б бути рекомендованою для замочування тепловим методом з ЕКН – 42 В (при цьму потужність нагрівання – 110 Вт, температура робочого середовища – 50 °С, тривалість замочування – 4 год.). Дане значення напруги не перевищує допустимого за технікою безпеки згідно ГОСТ 12.1.009-99. Досліджено органолептичні показники отриманої продукції «Квасоля у томатному соусі вищого ґатунку». Визначено, що органолептичні характеристики продукції, виготовленої запропонованим способом із замочуванням за умов електроконтактного нагрівання, відповідали ДСТУ 6074:2009 та показникам продукції, виготовленої традиційним способом. Експерименти довели, що кількість бобів квасолі іншого розміру та форми у дослідних зразків у 1,5 рази менша ніж у контрольних зразків; кількість бобів з тріщинами але невтраченої форми – менша майже у 2 рази, що пояснюється умовами попереднього замочування. У 4-му розділі передставлено результати роботи із підбору та удосконалення обладнання для виробництва консервованої квасолі. Розроблено технологічну лінію. В основу лінії покладена стандартна лінія, яку удосконалено шляхом заміни ванни для замочування квасолі на новий пристрій для замочування тепловим методом з ЕКН. Також новизною у лінії є те, що передбачено направлення бобів квасолі, які втратили форму або мають невідповідний розмір на виробництво квасолевого борошна. Підібрано та спроектовано обладнання лінії. Запропоновано використання імпеллерного насоса для перекачування суміші квасоля-вода до флотаційної мийної машини та подальшого транспортування по технологічній лінії. Основним робочим елементом є імпеллер, тобто робоче колесо, розміщене в корпусі, що закривається кришкою. Рідинна суміш переміщується еластичними лопатями імпеллера, насадженого на вал, по всьому колу насосної камери від всмоктуючого до напірного патрубка. Для сепарації квасолі за сортністю запропоновано нову конструкцію сепаратора. В основу розробки поставлено задачу підвищення якості сепарації бобів квасолі за товщиною. Розроблений сепаратор включає робочій орган з отворами, встановлений на дисках, раму, привид, живильник та приймачі продуктів розподілу, якій відрізняється тим, що робочий орган виконано з пластин у формі трапеції опозитно закріплених на дисках, один з яких забезпечений механізмом його переміщення в осьовому напрямку. Для виробництва квасолевого борошна запропоновано здрібнювач квасолі. У конструкції, в центральній частині якої встапновлені закріплені на роторі ножі, привод та завантажувальний бункер, ножі розміщені в декілька ярусів і виконані в поперечному перерізі у вигляді трапеції встановленої меншою основою, причому ножі кожного яруса зміщені один від одного на певний кут. За рахунок трапеціїдальної форми ножів над ножами створюється підпір здрібнюємого матеріала потоком повітря, за рахунок чого кількість ударів ножів по здрібненому матеріалу збільшується і в результаті зростає якість здрібнення та продуктивність здрібнювача. Спроектовано пристрій для замочування квасолі, що може бути використаний у технологічних лініях консервних підприємств малої потужності. У програмі Inventor виконано моделювання пристрою. Також виконано креслення загального виду пристрою. Визначено техніко-експлуатаційні показники пристрою. Шляхом апробації було доведено ефективність розробленого пристрою під час замочування квасолі. Для бобів квасолі сорту «Рант» тривалість замочування склала 4 години. До основних переваг розробленого пристрою слід віднести відносно високу продуктивність, скорочення тривалості технологічного процесу, зниження витрат енергії та високий ККД. На розробку отримано патент на корисну модель. Розроблено конструкцію та виконані розрахунки гвинтового конвеєра. За основу взято машину УШ2-Ч. Конвеєр призначений для транспортування бобів квасолі після охолодження на подальше накопичення в бункері перед вкладанням до банок для стерилізації. У 5-му розділі наведено заходи із технології монтажа, наладки та ремонту обладнання. Обладнання, що доставляється із заводу-виробника на компонування лінії виробництва консервованої квасолі в розібраному стані, монтується без зайвих операцій. Процес монтажу обмежується перевезенням, підйомом, встановленням на основу, вирівнюванням, закріпленням та проведенням випробувань. Монтаж обладнання включає такі операції: перевезення на площадку для складання, розпакування, складання, підйом, розміщення відповідно до проекту, вирівнювання, закріплення та випробування. Роботи з розмітки відносно головних осей будівлі виконуються за робочими кресленнями технічної частини проекту. Для цього використовуються різні інструменти, такі як рулетки, метри, отвіси, угольники тощо, а також спеціальні пристрої, такі як геодезичні та лазерні прилади, гідростатичні рівні, та універсальні прилади для розмітки осей. Встановлення обладнання на фундамент в проектному стані включає розміщення машини або її опорних конструкцій на фундаменті, попереднє установлення на опорні елементи з вирівнюванням отворів базової деталі з фундаментними болтами, налаштування обладнання відповідно до вимог по висоті та горизонталі та ущільнення між обладнанням та фундаментом. Змонтоване технологічне обладнання перевіряється на холостому ходу індивідуально. Для цього призначають відповідальних осіб із числа інженерно-технічних працівників монтажної компанії та замовника. Випробування зазвичай тривають 1…3 години. Під час них перевіряється відповідність технічним вимогам підприємства-виробника. У 6-му розділі наведено результати роботи із визначення ефективності прийнятих у проекті рішень. Під час розрахунків економічних показників функціонування нового запропонованого пристрою (дослідний метод), які було порівняно з показниками при замочуванні квасолі гарячим методом із нагріванням теплопередачею (базовий метод), зроблено такі висновки: витрати електроенергії за рахунок скорочення терміну роботи обладнання для виробництва консервованої квасолі відносно того ж самого об’єму сировини, що переробляється зменшуються на 9960 грн за рік, або на 30% та собівартість виробництва консервованої квасолі за рахунок скорочення часу замочування 1 кг квасолі знижується на 5,0%, що разом дає можливість додатково отримати прибуток у розмірі 151200 грн на рік. При цьому продуктивність виробництва консервованої квасолі за дослідним методом підвищується на 6,0%.

The purpose of this work is to improve the technological line for the production of canned beans. On the basis of this goal, the acquirer formulated the following research tasks: analyze the technology, mode parameters of production and develop a method of canning beans with soaking under the conditions of electric contact heating (ECH); to develop an experimental setup for studying bean soaking processes; to investigate the processes of soaking beans; to investigate the influence of the electric current voltage of the ECH on the duration of the bean soaking process; to investigate the organoleptic indicators of the obtained product "Beans in tomato sauce of the highest grade"; develop a technological line; carry out the design of the line equipment (impeller pump, bean sorting separator, bean grinder and screw conveyor); to develop a new device for soaking beans by the thermal method with the ECH of the working agent; to formulate requirements for the technology of installation, adjustment and repair of equipment; determine the effectiveness of the decisions made in the project and implement the results of the work in the production and educational process of State Biotechnological University. The main hypothesis of the work is that the implementation of the hot soaking process with ECH allows to reduce energy costs and ensure the production of products with high quality indicators. The object of research is the process of soaking beans of the universal variety "Rant" with a relative humidity of 15%. The subject of the study is a technological line for the production of canned beans, a device for soaking beans by the thermal method with the ECH of the working agent and the finished product "Beans in tomato sauce of the highest grade". Modern methods of theoretical and experimental studies of the dynamics of mass change, electrical indicators, energy consumption and product quality indicators were used. The main result of the work is the creation of conditions under which rational regimes of the production process are ensured at the stage of soaking in the technology of canning beans on a technological line with high quality characteristics of the obtained products. Within the framework of the work, an innovative proposal for soaking beans under ECH conditions was confirmed, which will contribute to reducing energy consumption and ensuring the production of products with high quality indicators. It has been proven that the cold soaking method is the least energy-consuming, but taking into account the considerable duration and the risk of obtaining products of unsatisfactory quality, its use is considered impractical. For the implementation of the hot method, which did not reveal such shortcomings, the soaking method under ECH conditions is effective from the point of view of energy saving. The 1st chapter presents the results of work on the development of a method for the production of canned beans. The fact of the existence of a problem regarding the implementation of the production of canned beans at the soaking stage is established. Ensuring the efficiency of the process and guaranteed product quality is possible due to the use of ECH, which does not have the proven low-temperature heating modes during bean soaking. It is advisable to carry out research on the soaking process under different regimes, which will allow to achieve the effect of intensification. According to the proposed method, receiving beans at the enterprise, preparing the components of the sauce, preparing the container and sterilizing the canned food is provided. The processing of beans should be carried out in the following stages: soaking using ECH, blanching, cooling, moisture separation, pneumatic cleaning, dosing, sealing in a container, sterilization, cooling, labeling of canned goods. In the 2nd chapter, the object and subject of research is defined. The design and principle of operation of an experimental installation for researching bean soaking processes are presented. The installation is a working heat-insulated container formed by two casings. The working container is filled with a mixture of beans and water. ECH is provided by a pair of electrodes. Heating by heat transfer is provided by a heating coil. The installation operates in three modes: soaking beans using a cold method, a hot method with heating from a spiral, and a hot method with ECH. It is noted that the processing of the obtained experimental data in the work was carried out by the methods of mathematical statistics and correlation analysis using modern electronic computing equipment. The 3rd chapter contains the results of a set of experimental studies. The process of soaking beans was studied - cold method at room temperature, hot method with heating from a spiral, hot method with electric contact heating. It has been proven that the cold method is the least energy-consuming, but taking into account the considerable duration and the risk of obtaining products of unsatisfactory quality, its use is considered impractical. For the implementation of the hot method, which did not reveal such shortcomings, the soaking method under the conditions of electric contact heating is effective from the point of view of energy saving. A study of the duration of bean soaking was carried out depending on the heating power, which is determined by the voltage of the electric current. The shortest duration of the process (2...3 hours) corresponds to a voltage of 48...55 V at a power of about 130 W. The temperature of the working environment under such conditions was about 70 °C. At the same time, the raw material obtained does not meet the quality indicators in terms of appearance. The voltage of the electric current that could be recommended for soaking by the thermal method with ECH is 42 V (at this, the heating power is 110 W, the temperature of the working environment is 50 °C, the duration of soaking is 4 hours). This value of the voltage does not exceed the permissible one according to safety technology according to the State Standard of Ukraine 12.1.009-99. The organoleptic indicators of the obtained product "Beans in tomato sauce of the highest grade" were studied. It was determined that the organoleptic characteristics of the products produced by the proposed method with soaking under the conditions of electric contact heating corresponded to DSTU 6074:2009 and the indicators of products produced by the traditional method. Experiments proved that the number of beans of a different size and shape in experimental samples is 1.5 times less than in control samples; the number of beans with cracks but without loss of shape is almost 2 times less, which is explained by the conditions of pre-soaking. The 4th chapter presents the results of work on the selection and improvement of equipment for the production of canned beans. A technological line has been developed. The basis of the line is a standard production line, which was improved by replacing the tub for soaking beans with a new device for soaking by the thermal method with the ECH. Also a novelty in the line is that it provides for the sending of beans that have lost their shape or are of an inappropriate size for the production of bean flour. Line equipment was selected and designed. It is proposed to use an impeller pump for pumping the bean-water mixture to the flotation washing machine and further transportation along the technological line. The main working element is the impeller, i.e. the impeller placed in the casing, which is closed with a cover. The liquid mixture is moved by the elastic blades of the impeller, mounted on the shaft, around the entire circle of the pump chamber from the suction to the discharge nozzle. A new design of the separator is proposed for the separation of beans by grade. The basis was the task of improving the quality of separation of beans by thickness. The developed separator includes a working body with holes mounted on disks, a frame, a ghost, a feeder and receivers of distribution products, which is distinguished by the fact that the working body is made of trapezoidal plates oppositely fixed on disks, one of which is equipped with a mechanism for its movement in the axial direction. A bean grinder is proposed for the production of bean flour. In the structure, in the central part of which knives fixed on the rotor, drive and loading hopper are inserted, the knives are placed in several tiers and are made in cross-section in the form of a trapezoid set by a smaller base, and the knives of each tier are offset from each other by a certain angle. Due to the trapezoidal shape of the knives, a support of the crushed material is created above the knives by an air flow, due to which the number of blows of the knives on the crushed material increases and, as a result, the quality of crushing and the productivity of the shredder increase. A device for soaking beans has been designed, which can be used in the technological lines of low-capacity canning enterprises. The device was modeled in the Inventor program. A drawing of the general appearance of the device was also made. The technical and operational indicators of the device are determined. The effectiveness of the developed device during bean soaking was proven through testing. For beans of the "Rant" variety, the duration of soaking was 4 hours. The main advantages of the developed device include relatively high productivity, reduction of the duration of the technological process, reduction of energy consumption and high efficiency. A utility model patent was obtained for the development. The design and calculations of the screw conveyor were developed as a basis of “USh2-Ch” machine. The conveyor is designed to transport beans after cooling for further accumulation in the hopper before placing them in cans for sterilization. In the 5th chapter, the measures related to the technology of installation, adjustment and repair of equipment are given. The equipment delivered from the manufacturing plant for the composition of the line for the production of canned beans in a disassembled state is assembled without unnecessary operations. The installation process is limited to transportation, lifting, installation on the base, leveling, fastening and testing. Installation of equipment includes the following operations: transportation to the site for assembly, unpacking, assembly, lifting, placement according to the design, leveling, fixing and testing. Marking works relative to the main axes of the building are performed according to the working drawings of the technical part of the project. For this, various tools are used, such as tape measures, meters, plumb bobs, protractors, etc., as well as special devices such as geodetic and laser devices, hydrostatic levels, and universal axis marking devices. Installation of the equipment on the foundation in the design condition includes placing the machine or its supporting structures on the foundation, pre-installation on the supporting elements with the alignment of the holes of the base part with the foundation bolts, adjusting the equipment according to the height and horizontal requirements and sealing between the equipment and the foundation. The assembled technological equipment is checked at idle speed individually. For this, responsible persons are appointed from among the engineering and technical employees of the installation company and the customer. Tests usually last 1-3 hours. During them, compliance with the technical requirements of the manufacturer is checked. The 6th chapter presents the results of the work on determining the effectiveness of the decisions made in the project. During the calculations of the economic indicators of the operation of the new proposed device (experimental method), which were compared with the indicators of soaking beans by the hot method with heating by heat transfer (basic method), the following conclusions were made: electricity consumption due to the reduction of the period of operation of equipment for the production of canned beans relative to of the same volume of processed raw materials is reduced by UAH 9,960 per year, or by 30%, and the cost of canned beans production due to a reduction in the soaking time of 1 kg of beans is reduced by 5.0%, which together makes it possible to obtain an additional profit in the amount of 151,200 UAH per year. At the same time, the productivity of the production of canned beans according to the experimental method increases by 6.0%.