Россия
Россия
Россия
Россия
Цель исследования – разработка рациональных режимных параметров операции высушивания икры из сазана путем теоретического и эмпирического исследования данной процедуры, а также построения, адаптации к объекту изучения и решения математической модели тепломассопереноса при ее осуществлении. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: разработать рациональный способ конвективной сушки икорного сырья с учетом влияния основных факторов на процесс; получить расчетные зависимости кинетики влагоудаления и удельной производительности сушильного устройства от влияющих факторов; провести моделирование этого процесса, результатом которого будет распределение температуры по глубине слоя в зависимости от его влажности. Определен рациональный способ конвективной сушки икорного сырья с учетом влияния основных факторов на процесс, т. е., рациональными режимными показателями для обезвоживания сазаньей икры являются: vc.a. = 3,5 м/c, направленная вдоль поверхности высушиваемого материала; hвм = 0,015 м; Tc.a. = 40 °C; Tг.п. = 40 °С; Tвм = 10 °С; Wк = 01 кг/кг, что обеспечивает Y = 7,72 кг/(м2·ч), а время сушки до W = 0,10 кг/кг составляет 125 минут. Получены расчетные зависимости кинетики влагоудаления и удельной производительности сушильного устройства от влияющих факторов. Проведено моделирование процесса конвективной сушки икорного сырья, результатом которого стало распределение температуры по глубине слоя в зависимости от его влажности. рекомендованные режимы конвективно-кондуктивного подвода тепла для удаления влаги из сазаньей икры можно использовать при производстве лецитинсодержащих пищевых продуктов, а разработанные режимные параметры сушки икорного продукта и результаты ее моделирования могут успешно использоваться при реализации технологии лецитина из сазаньей икры, так как позволяют сохранить в объекте обработки необходимый целевой компонент.
икра сазана, сушка, кинетика, внутренний тепломассоперенос, конвективный и кондуктивный энергоподвод, удельная производительность, математическая модель, метод конечных разностей
Введение. Повышение эффективности глубокой переработки сырья товарного рыбоводства, в том числе мало востребованной на российском рынке икры пресноводных рыб семейства карповых [1], является важной и актуальной задачей. Пищевая индустрия РФ нуждается в природных эмульгаторах высокого качества, к примеру в лецитинах. Следует отметить, что карповая, в частности сазанья, икра содержит большое количество лецитина [2–4].
Известно, что самыми распространенными способами консервации являются сушка и замораживание исходного сырья.
Анализ способов обезвоживания показал, что эффективным для сазаньей икры является конвективный энергоподвод при возможной комбинации с кондуктивным при использовании ленточных сушильных установок. Это продиктовано возможностью сохранения в продукте лецитина, что позволит увеличить интенсивность удаления влаги из объекта при использовании сравнительно простых конструкторских решений. Снижение начальной температуры сушильного агента до 40 °С при условии отсутствия превышения температуры Т продукта этого порога даст возможность сохранения высоких качественных показателей икорного полуфабриката.
Для комплексного изучения процесса построения, адаптации к объекту исследования и решения математической модели переноса тепла и массы, а также выявления механизма отведения влаги из квазижидкой субстанции необходимо выявить кинетические закономерности внутреннего переноса тепловой энергии и массы и обмена ими на границе раздела фаз.
Цель исследования – разработка рациональных режимных параметров операции высушивания икры из сазана путем теоретического и эмпирического исследования данной процедуры, а также построения, адаптации к объекту изучения и решения математической модели тепломассопереноса при ее осуществлении.
Задачи: разработать рациональный способ конвективной сушки икорного сырья с учетом влияния основных факторов на процесс; получить расчетные зависимости кинетики влагоудаления и удельной производительности сушильного устройства от влияющих факторов; провести моделирование этого процесса, результатом которого будет распределение температуры по глубине слоя в зависимости от его влажности.
Объект и методы. Объектом исследования является тонкий слой икры из сазана.
Определять кинетические закономерности операции удаления влаги можно аналитически, эмпирически и комплексно, совмещая данные подходы [5, 6]. В нашем случае эта задача решалась применением известных методик составления плана опытной серии и обработки полученных результатов при соблюдении технологически оправданных условий обезвоживания.
Схематически опытный стенд для отведения влаги из образца при комбинации контактного и конвективного подведения тепла в атмосферных условиях показан на рисунке 1. Конструктивное исполнение опытного стенда обеспечивает контроль и регулирование влияющих факторов (температуру теплового носителя и греющей пластины, скорость сушильного агента, высоту слоя) в необходимых диапазонах. Температура сушильного агента, как и греющей пластины, ограничивается 40 °С, так как при выходе за данный температурный порог вероятно перегревание и локальное подгорание навески, а интенсивность движения теплового носителя не должна превышать лимит 3,5 м/с по причине того, что в таком случае возможно деформирование поверхности образца, его деструкция и частичный унос.
Рис. 1. Схематическое изображение опытного стенды:
I – холодные потоки воздушной среды; II – поток теплоносителя при определенных
температурном и скоростном режимах; III – поток теплоносителя на выходе из зоны сушки; 1 – вентиляторная станция; 2 – датчик контроля температуры; 3 – термический элемент; 4 – обечайка сушильной установки; 5 – навеска; 6 – анемометр электронного типа; 7 – нагретый пластинчатый элемент; 8 – весовое устройство; 9 – источник питания; 10 – калориферный узел
Принимая во внимание тот факт, что при анализе процедуры обезвоживания тонкого слоя образца выявить влажность W в его объеме или по глубине его сечения, соответствующего определенному времени протекания процесса, опытным путем затруднительно, то можно с допустимой погрешностью строить и математически описывать интегральные кривые влагоудаления как зависимость средней по слою W от времени операции.
За переменные факторы, обусловливающие величину интенсивности отведения влаги из образца от его исходной 
до итоговой 
(кг/кг), были взяты следующие: скорость сушильного агента 
(м/с), направленная вдоль поверхности высушиваемого материала, и толщина его слоя 
(м). В качестве неварьируемых параметров приняты следующие: температура сушильного агента 
, температура греющей пластины 
и икры
(°К).
Значения неварьируемых показателей, обусловливающих кинетику процедуры сушки, приведены в таблице 2.
Таблица 1
Влияющие на процесс обезвоживания икорного продукта и варьируемые факторы
|
|
|
|
|
|
0,64 |
1,5 |
0,010 |
0,10 |
|
2,5 |
0,015 |
||
|
3,5 |
0,020 |
Таблица 2
Неварьируемые параметры процесса обезвоживания арбузного полуфабриката
|
|
|
|
|
|
|
0,64 |
40 |
10 |
40 |
0,10 |
За целевую функцию взята масса высушенного образца 
, отнесенная к площади рабочей поверхности 
и времени процедуры 
, т. е. Y, кг/(м2·ч)
(1)
В результате обозначенных эмпирических исследований получена и решена математическая модель теплопереноса и массообмена при отведении влаги при Т теплового агента 40 °С.
Нахождение Т в объеме тонкого слоя икры при комбинированном подведении тепла к нему можно осуществить посредством решения комплекса уравнений переноса тепла и вещества, что заметно упрощается, решая лишь соотношение для трансфера тепловой энергии, применив эмпирические уравнения, описывающие кинетические закономерности отведения влаги [6].
Решение математической модели конечно-разностным численным способом [7] опиралось на допущения, обоснованные в публикациях [6].
Уравнение трансфера тепловой энергии в частных производных в одномерном варианте выглядит как
(2)
где 
– координата глубины слоя навески, м; 
– параметр ее температуропроводности, м2/с; 
– интенсивность влагоудаления, кг/(кг·с) при допуске изотропности ее структурной организации; 
– суммарная энергетическая составляющая, обусловленная парообразованием и нарушением связи воды с сухим веществом, Дж/кг; 
– ее плотность, кг/м3; 
– ее объемная теплоемкость Дж/(м3·К).
Результатом решения соотношения (2) при заданных краевых условиях будет функциональная зависимость 
, причем целесообразно провести рокировку 
и концентрации сухого остатка 
.
Граничные условия в приведенном варианте конвективного подведения тепла выглядят следующим образом:
(3)
где 
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); 
– для теплоносителя; 
– для поверхности контакта фаз, °К.
Для второй границы между образцом с исходной 
°К, приближающейся по экспоненте к 
°К греющей поверхности, граничное условие выглядит как
(4)
где – текущая для образца, °К; 
– изначальное и 
– текущее относительное содержание сухого скелета в навеске, кг/кг.
Уравнение (2) решалось в среде Mathcad Professional.
Результаты и их обсуждение. В итоге получены кривые влагоудаления из квазижидкой икорной субстанции, которые частично показаны на рисунке 2.
Опытное изучение обезвоживания при Tс.а. = 40 °C, Tг.п. = 40 °С и 1,5 ≤ vс.а. ≤ 3,5 м/с привело к выводу о том, что удельный съем сухого материала ниже при hвм = 0,01 м, а при hвм = 0,02 м выше, даже с учетом большей длительности процедуры отведения влаги из икорного продукта, т. е. порядка трех часов. Величина vс.а., которая варьировалась от 1,5 до 3,5 м/с, оказывала существенное влияние на снижение продолжительности сушки, в среднем на 10 %, что объясняется тем, что с ростом скорости газового потока над высушиваемым материалом увеличивается и коэффициент массоотдачи и, следовательно, повышается скорость влагоудаления.
Рис. 2. Кривые влагоудаления из икры сазана
К тому же при увеличении скорости сушильного агента достигается более равномерный прогрев продукта, особенно при hвм = 0,01 м, и ускоряется отвод испаренной влаги из рабочей зоны сушки. Следует отметить, что при визуальном анализе среза высушенной продукции при толщине слоя hвм = 0,02 м в центральной его части наблюдались локации непросушенного материала (явный переход от оранжевого оттенка икры к бледно-серому), вследствие чего считаем наиболее рациональной толщину слоя, равной hвм = 0,015 м.
Таблица 3
Результаты опытной серии по изучению влагоудаления из икры сазана
|
|
|
|
|
|
|
1,5 1,5 1,5 |
40 / 40 40 / 40 40 / 40 |
0,010 0,015 0,020 |
6900 9000 11100 |
5,59 6,43 6,95 |
|
2,5 2,5 2,5 |
40 / 40 40 / 40 40 / 40 |
0,010 0,015 0,020 |
6300 8100 9900 |
6,12 7,14 7,79 |
|
3,5 3,5 3,5 |
40 / 40 40 / 40 40 / 40 |
0,010 0,015 0,020 |
5700 7500 9000 |
6,78 7,72 8,57 |
|
Дополнительные сведения |
Площадь подложки S=0,002 м2, плотность икорного продуктаp=1071 кг/м3 |
|||
С учетом данных таблицы 3 выведена зависимость 
от , м/с и , м
(5)
Из соотношения (5) следует, что рост как высоты слоя навески, так и интенсивности движения теплоносителя до определенных пределов обусловливает увеличение .
В случае увеличения высоты слоя, с одной стороны, увеличивается вес сухого образца, а с другой – рост времени протекания операции. Повышение толщины слоя у исходного продукта до 0,02 м при повышении нерезонно, что обусловлено вероятностью подгорания и пересушки поверхности образца при влажной сердцевине, особенно при кондуктивном энергоподводе. При высоте менее 10 мм время процедуры может снизиться вдвое, что приводит к уменьшению габаритов агрегата (протяженности транспортера), но обусловливает падение . Рациональной служит изначальная высота слоя в 15 мм при снижении ее вследствие десорбционной усадки до 8 до 11 мм.
Увеличение скорости сушильного агента также приводит к росту величины удельной производительности, но она не может превышать порог в 3,5 м/с, так как приводит к деформации поверхностного слоя у высушиваемого продукта.
Таким образом, рациональными режимными показателями для обезвоживания сазаньей икры являются: 
м/с, направленная вдоль поверхности высушиваемого материала; 
м; 
°С; 
°С; 
°С; 
кг/кг, что обеспечивает 
кг/(м2·ч), а время сушки до W = 0,10 кг/кг составляет 125 мин.
Для упрощения математического описания кривых обезвоживания и интенсивности данной операции 
получены обратные закономерности изменения 
, показанные на рисунке 3.
Кривые сушки (рис. 3) описаны с относительной ошибкой аппроксимации ниже 10 % в следующем виде:
м
(6)
hвм = 0,015
(7)
В уравнениях (6) и (7): – продолжительность сушки, с; 
– концентрация сухого остатка в навеске, кг/кг.
Рис. 3. Кривые обезвоживания икорного продукта при рациональных режимах
проведения процесса
При взятии производной от имеем 
и, осуществив математическую трансформацию, получаем: 
, представленные графически (рис. 4), и их математическое описание (8) и (9):
(8)
(9)
Рис. 4. Кривая интенсивности обезвоживания икры из сазана
На кривой интенсивности удаления влаги присутствуют две зоны [6, 8]. В первой зоне наблюдается повышение интенсивности отведения влаги, в основном в свободном состоянии, до экстремума. Причем интенсивное парообразование в этой зоне обусловливает отсутствие перегревания и подгорания образца при его малозаметной усадке и последующей организации капиллярно-пористой структуры сухой субстанции. По завершении первой зоны W в поверхностном слое становится раной гигроскопической. При этом активизируются процедуры отведения воды в адсорбционно-связанном состоянии при прогревании образца.
В последующей зоне после прохождения пика интенсивности при появлении несоответствия между потоками испаряющейся воды из поверхностного слоя и продвигающейся из его ядра к периферии присутствует углубление границы парообразования [8, 9]. Т по глубине слоя стремится к Т теплоносителя, что повышает вероятность деструкции поверхностного слоя образца и формирования в нем пустот.
На рисунке 5 приведена интенсивность продвижения фронта Т по глубине слоя и в зависимости от длительности операции для слоя 15 мм высушиваемого икорного продукта с конечной влажностью 10 %. Из рисунка вытекает, что при произвольном C в навеске присутствуют градиенты Т по причине инерции трансфера тепла. Вид температурного поля обусловлен явлениями интенсивного испарения свободной влаги и «парникового эффекта», который связан с повышением давления водяного пара внутри пор, ячеек, капилляров в структуре высушиваемого материала и их деструкции по этой причине, причем экстремум наблюдается на участке (47 % < C < 58 %), следующим за прогревом объекта сушки до температуры парообразования.
Рис. 5. Трансформация полей температур в течение процесса обезвоживания
икорного продукта толщиной 15 мм
Это определяется тем, что фазовый переход вода-пар сопровождается отведением тепловой энергии от вещества и, как следствие, снижением его температуры, в большей степени на поверхности по сравнению с его внутренними слоями. При взаимодействии навески с нагретой подложкой с Tг.п. изначально присутствует повышение ее Т, приближающейся к Tг.п. Отметим, что Т навески не превышала пороговой в 314 °К.
Заключение. Определен рациональный способ конвективной сушки икорного сырья с учетом влияния основных факторов на процесс, т. е. рациональными режимными показателями для обезвоживания сазаньей икры являются: vс.а. = 3,5 м/с, направленная вдоль поверхности высушиваемого материала; hвм = 0,015 м; Tс.а. = 40 °С; Tг.п. = 40 °С; Tвм = 10 °С; WК = 0,1 кг/кг, что обеспечивает Y = 7,72 кг/(м2·ч), а время сушки до W = 0,10 кг/кг составляет 125 мин.
Получены расчетные зависимости кинетики влагоудаления (уравнения (6) и (7)) и удельной производительности сушильного устройства от влияющих факторов (уравнение (5)).
Проведено моделирование процесса конвективной сушки икорного сырья, результатом которого стало распределение температуры по глубине слоя в зависимости от его влажности (рис. 5).
Из вышеизложенного следует, что рекомендованные режимы конвективно-кондуктивного подвода тепла для удаления влаги из сазаньей икры можно использовать при производстве лецитинсодержащих пищевых продуктов, а разработанные режимные параметры сушки икорного продукта и результаты ее моделирования могут успешно использоваться при реализации технологии лецитина из сазаньей икры, так как позволяют сохранить в объекте обработки необходимый целевой компонент.
1. Российский рынок рыбных товаров. URL: https://spravochnick.ru/marketing/rossiyskiy_rynok_rybnyh_tovarov (дата обращения: 23.10.2022).
2. Лебская Т.К., Менчинская А.А. Сравнительная характеристика пищевой ценности икры некоторых рыб // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т. 1, № 2. С. 91–97.
3. Жане М.Р., Лисовая Е.В., Агафонов О.С. Инструментальный способ определения качества лецитинов // Науч. тр. Северо-Кавказского федер. науч. центра садоводства, виноградарства, виноделия. 2019. Т. 26. С. 215–221.
4. Пищевые инновации и биотехнологии: технологии пищевых производств, качество и безопасность / под общ. ред. А.Ю. Просекова. Кемерово, 2019. Т. 1. 340 с.
5. Сушка пищевых растительных материалов / Г.К. Филоненко [и др.]. М.: Пищевая промышленность, 1971. 440 с.
6. Алексанян И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: автореф, дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.12. М., 2001. 52 с.
7. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. 320 с.
8. Максименко Ю.А. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: дис. … д-ра техн. наук: 05.18.12. Воронеж, 2016. 502 с.
9. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для техникумов. М.: Химия, 1968. 847 с.
