Разработка технологии свч-экстрагирования компонентов растительного сырья
На правах рукописи
КОПЫСОВА ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВЧ-ЭКСТРАГИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин – 2013
Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)
Научный руководитель Касаткин Владимир Вениаминович доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА
Официальные оппоненты: Беззубцева Марина Михайловна доктор технических наук, профессор, зав. каф.
Энергообеспечения производств АПК ФГБОУ ВПО СПбГАУ Ракутько Сергей Анатольевич, доктор технических наук, доцент, профессор, заведующий лабораторией энергоэффективных электротехнологий ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д220.060.06 в ФГБОУ ВПО СПбГАУ по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, (2-ой учебный корпус, ауд. 2. 719)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ФГБОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан 11 ноября Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru, http://spbgau. ru
Ученый секретарь диссертационного совет д.т.н., профессор Смирнов Василий Тимофеевич ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность темы исследования. Перерабатывающая промышленность России является важнейшей жизнеобеспечивающей сферой, оказывающей значительное влияние на состояние экономики страны, уровень продовольственной безопасности и благосостояние народа.
В последние годы Правительство РФ предпринимает конструктивные меры, направленные на создание качественно новых предпосылок для дальнейшего устойчивого развития аграрной сферы экономики и увеличения объемов поставок сырья для отраслей пищевой промышленности.
Разработка технологий и оборудования для производства функциональных продуктов является важным и актуальным направлением научных исследований.
В рамках Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года поставлена цель, заключающаяся в обеспечении гарантированного и устойчивого снабжения населения страны безопасным и качественным продовольствием.
Необходимо внедрить новые технологии в отрасли пищевой и перерабатывающей промышленности, в том числе био- и нанотехнологии, позволяющие значительно расширить выработку продуктов нового поколения с заданными качественными характеристиками, лечебно-профилактических, геронтологических и других специализированных продуктов.
СВЧ–обработка нашла широкое применение в производстве пищевых продуктов, в том числе для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья, ввиду своих преимуществ, положительно влияющих на качество изготовляемой продукции.
Исследования теории диффузионного экстрагирования впервые разработаны к середине семидесятых годов ХХ века и изложены в трудах Г. А. Аксельруда, В. М. Лысянского, Бабенко Ю. И., Иванов Е. В. и других авторов.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование влияния параметров СВЧ–обработки на процесс извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья, что позволит выпускать продукты питания с заданными характеристиками и увеличить ассортимент продукции на рынке.
Целью настоящей работы является разработка технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ – излучения.
Задачи исследований:
- обосновать технологические параметры извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья;
- создать модель процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ-энергии и дать ее математическое описание;
- провести экспериментальные исследования процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на примере экстракта мяты;
- определить экономическую и энергетическую эффективность применения технологии для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья.
Объект исследований: технологический процесс извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи сверхвысокочастотного излучения, применяемый на предприятиях перерабатывающей промышленности.
Предмет исследований: экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров СВЧ–излучения на показатели качества экстракта мяты и кефирного продукта, полученного на его основе.
Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования.
Научная новизна:
- определены закономерности воздействия СВЧ на выход экстрактивных веществ;
- экспериментально доказано целесообразность экстрагирования компонентов из растительного сырья при температурах ниже 40оС;
- разработана математическая модель процесса извлечения экстрактивных веществ и растительного сырья с использованием СВЧ – энергии.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- экспериментальная лабораторная установка, обеспечивающая эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
- технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ – излучения;
- разработанная математическая модель позволяет рассчитывать промышленные технологии и оборудования для экстрагирования веществ из растительного сырья с использованием СВЧ-энергии;
- разработана и испытана лабораторная установка периодического действия с СВЧ– энергоподводом, применяемая в учебном процессе, на основе которой может быть создана промышленная установка;
- разработан технологический процесс изготовления кефирного продукта с мятой, с использованием полученного экстракта.
Методология и методы исследования.
Для определения температурного режима процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья использовался метод по ГОСТ 26754-85. Время экстрагирования контролировалась при помощи секундомера.
В ходе работы проводились опыты по определению коэффициента светопропускания приготовленного экстракта мяты на установке КФК-2МП. Физико химические и органолептические показатели кефирного продукта с экстрактом мяты контролировались в соответствии с ГОСТ Р 52093-2003: отбор проб и подготовка их к анализу – ГОСТ 3622-68 (ГОСТ 26809-92);
кислотность готового продукта определялась по ГОСТ 3624-92;
жирность кефирного продукта определялась по ГОСТ 5867-90.
На защиту вынесены следующие положения:
- результаты экспериментальных исследований, анализ которых позволяет обосновать технологические параметры процесса экстракции;
- технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ – излучения;
- математическая модель процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ - энергии;
- конструкция универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья;
- результаты экспериментальных исследований промышленной установки для извлечения экстрактивных веществ, - экономическая и энергетическая эффективность разработанной технологии.
Личный вклад автора. Модель, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетных задач, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.
Макет универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ - излучения, используемый при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» ВПО Ижевская государственная (ФГБОУ сельскохозяйственная академия, г. Ижевск, Удмуртская Республика) при активном участии автора.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе основные положения работы доложены и одобрены: на научно-практических конференциях: «Качество продукции, технологий и образования», Магнитогорск, 2010;
«Региональный рынок потребительских товаров», Тюмень, 2009;
«Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания», Челябинск, 2010;
«Инновационные технологии переработки продовольственного сырья», Дальрыбвтуз, 2011;
«Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности», Ижевск, 2012;
на IV этапе Евразийского экономического форума молодежи, г.Ижевск, 2012;
XXVI международной научно-практической конференции, г.
Новосибирск, 2013.
Объем и структура диссертации Работа изложена на 171 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, 37 рисунков, 16 таблиц, общие выводы, список использованной литературы – 208 источников и 11 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также данные о научной новизне и практической ценности работы.
В первой главе «Анализ состояния вопроса развития отраслей пищевой промышленности» рассмотрены существующие направления получения экстрактов в перерабатывающей промышленности химическими, биологическими и физическими способами. Дан анализ технологий и оборудования для экстрагирования сырья в электромагнитном поле. Поставлены задачи исследования.
Проведенный анализ позволил установить:
- СВЧ–обработка положительно влияет на качество изготовляемой продукции.
- обработка в поле сверхвысокой частоты снижает микробиологическую обсемененность продуктов питания.
- при экстракции растительного сырья энергия электромагнитного поля, с учетом продолжительности ее воздействия, может значительно снизить время процесса.
- необходимость разработки технологии и оборудования для экстракции с использованием электромагнитного поля СВЧ.
Во второй главе «Обоснование технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи СВЧ – излучения» представлено теоретическое исследование процесса извлечения экстрактивных веществ в поле сверхвысокой частоты и приведено обоснование предполагаемого технологического процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи СВЧ - излучения.
Разработка технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья осуществлялась с учетом поставленных требований: минимальное время проведения процесса;
полученный продукт должен быть безопасен в пищевом отношении по микробиологическим и физико-химическим показателям;
разработанная технология должна быть доступной для предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности, и легко внедряемой уже в существующие технологические линии производства продуктов питания.
В результате поставленных требований на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» ФГБОУ ВПО «Ижевской государственной сельскохозяйственной академии» предложена технология (рисунок 1) Рисунок 1 – Схема технологии извлечения экстрактивных веществ из извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с дальнейшим применением на растительного сырья перерабатывающих предприятиях.
Данная технология состоит из следующих операций: подготовка растительного сырья;
взвешивание сырья на весах;
заполнение емкости сухим растительным сырьем, в которой предполагается процесс экстракции;
наполнение емкости водопроводной водой на 70% от объема емкости;
перемешивание;
включение волноводов;
экстракция;
выгрузка сырья.
В лабораторных условиях процесс экстракции сухой мяты проводили при разных условиях: без применения электротехнологий при различных начальных температурах экстрагента (рисунок 2), предназначенного для извлечения экстрактивных веществ и с применением СВЧ-излучения (рисунок 3).
Рисунок 2 – График зависимости коэффициента Рисунок 3 – График зависимости коэффициента светопропускания от продолжительности светопропускания от продолжительности экстракции при различных температурах экстракции при различных температурах с применением СВЧ-излучения График зависимости показывает эффект воздействия СВЧ-излучения на процесс экстракции, в результате чего наблюдаются значительные изменения коэффициента светопропускания полученных экстрактов мяты. Кроме того, при 15 минутах продолжительности процесса экстракции наблюдается наибольшее приближение значений коэффициентов светопропускания экстрактов.
Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальное время процесса экстракции при помощи СВЧ-излучения необходимо установить в течение 15 минут, что способствует интенсификации процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья.
Экстракцию растительного сырья на примере мяты проводили в водопроводной питьевой воде при различной удельной мощности СВЧ-излучателя (рисунок 4).
Рисунок 4 – График зависимости коэффициента светопропускания от времени экстракции при различной мощности СВЧ-излучателя Из графика видно, чем выше мощность СВЧ-излучения, тем выше эффект процесса экстракции. Максимальная мощность для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья не должна нагревать среду выше 40 С. В противном случае происходят физико-химические изменения сырья, что снижает функциональные свойства готового продукта.
Наибольший выход экстрактивных веществ наблюдается при максимальной удельной мощности магнетрона (1750 Вт/л) через 15 минут. Резких изменений коэффициента светопропускания после 15 минут не наблюдается. Таким образом, можно сделать вывод, что дальнейшее течение процесса не целесообразно.
В результате проведенных исследований и получения экстракта мяты с применением СВЧ-излучения была составлена технология приготовления кефирного продукта с экстрактом мяты и разработана документация. Целью получения данного продукта является внедрение технологии извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья в производство продуктов питания, увеличение ассортимента кисломолочных продуктов и снижение энергопотребления на производстве.
Расчеты и графическая интерпретация результатов реализации параметрических моделей проводились с использованием программного обеспечения Microsoft Excel 2007.
Достоверность результатов подтверждалась критерием Фишера (F–критерий) при доверительной вероятности p = 0,95.
В третьей главе «Tеоретическое обоснование применения СВЧ - излучения для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на установках периодического действия» приведены результаты теоретических исследований извлечения экстрактивных веществ на установках периодического действия.
Физическая сущность интенсификации процесса извлечения экстрактивных веществ объясняется следующим образом:
1. За счет подвода СВЧ-энергии к молекулам воды, которая является несовершенным диэлектриком, происходит колебательное движение дипольных молекул в СВЧ поле;
что способствует проникновению молекул воды в поры листов мяты и диффузии экстрактивных веществ в раствор;
2. За счет колебательного движения молекул воды, как и в других несовершенных диэлектриках, выделяется тепловая энергия, то есть вода нагревается, что также увеличивает скорость извлечения экстрактивных веществ;
3. Вращательное движение стаканов с мятой внутри раствора приводит к увеличению диффузии экстрактивных веществ за счет конвективного массообмена.
Представленная методика определения мощности СВЧ-энергии показывает, что источник СВЧ-энергии (при помощи волноводов) обеспечивает распределение электромагнитных волн внутри жидкости в некотором объеме. Волны действуют внутри тела, форма которого представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема установки (вид сверху) Рисунок 6– Схема к определению для нахождения объема распространения волн объема зоны обработки В корпусе установки радиуса R1 под действием магнитных волн сформирована зона воздействия СВЧ-энергии радиуса R2 с объемной плотностью энергии. Расстояние d указывает положение центра волновода. Подобная картина формируется за счет распространения фронта волны после щелевого волновода. Радиус R2 показывает зону воздействия СВЧ-энергии, определяемую частотой f электрического тока.
Магнетрон работает только в тот промежуток времени, в течении которого стакан с мятой проходит по зоне обработки СВЧ-энергии из положения I в положение II (рисунок 5).
Длина дуги, проходимой центром стакана с мятой, определяется длиной дуги АВ между центрами стакана в положениях I и II. Определим точки пересечения окружностей радиусов R и R2. Для этого покажем систему декартовых координат, начало которой поместим в центр концентрических окружностей радиусов R и R1. Оси показаны на рисунке 6. Уравнение теплового баланса имеет вид:
, (1) где - тепло, подводимое за счет СВЧ – энергии, Дж;
, – удельные теплоемкости твердой и жидкой фазы соответственно, Дж/кг·°С;
- масса твердой и жидкой фазы соответственно, кг;
, – разность температур, °С;
- потери тепла.
Если считать, что масса жидкой фазы определяется объемом раствора в зоне действия СВЧ, т.е. областью пересечения двух цилиндрических тел, то ( ) ( )] [ ;
(2) где - плотность жидкости, кг/м, - центральные углы, стягивающие сектора,, ограничивающие зону обработки, рад.
По аналогии с формулами при пересечении двух цилиндров с радиусами R1 и R получаем координаты точек пересечения и искомые углы (рисунок 6).
( ) ;
, (3) ;
. (4) Потери тепла происходят за счет теплообмена между теплой жидкостью в зоне СВЧ обработки и холодной жидкостью в остальной части установки. Но время обработки мало, а теплоперенос в жидкостях происходит в основном за счет конвекции.
Можно принять, что в конце периода из зоны обработки уходит объем теплой жидкости вместе со стаканом с мятой, а на ее место поступает холодная вода из установки.
, (5) где - масса воды, находящаяся в объеме стакана, кг.
, (6) Теплота передается за счет излучения:
, (7) где - удельные диэлектрические потери – мощность, выделяемая в 1 м3 диэлектрического материала под воздействием электрического поля, Вт/м3.
Известно, что:, (8) где - частота электрического поля, Гц;
- коэффициент диэлектрической проницаемости среды;
– тангенс угла потерь в диэлектрике;
- напряженность электрического поля, В/м.
Объединяем формулы 1…8 и выражаем удельную мощность СВЧ – излучателя:
( ) (9) Предлагаемая методика расчета позволяет решить следующие задачи:
1. Подобрать допустимую мощность источника излучения СВЧ волн без перегрева обрабатываемого материала;
2. Если задаться мощностью P источника излучения и его параметрами (, ), то можно найти температуру рабочего тела в процессе обработки;
3. Определить параметры СВЧ-излучения (частоту и напряженность), чтобы обеспечить достаточную глубину проникновения электромагнитных волн и не превысить интенсивность обработки.
В четвертой главе «Исследование влияния СВЧ нагрева на физико-химические показатели экстракта мяты и готового продукта» проведено комплексное исследование влияния параметров СВЧ-излучения на показатели качества экстракта мяты и готового продукта.
Для проработки технологии получения водных экстрактов растительного сырья на базе ФГБОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии была разработана ванна для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья.
Конструкция ванны выполнена с учетом разработанной технологии изготовления кефирного продукта с мятой и непосредственно стадии технологического процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья. Ванна входит в состав линии производства кефирного продукта с экстрактом мяты. Принципиальная схема ванны представлена на рисунке 7.
Для размещения листьев мяты рабочая камера 1 установки оборудована сетками 2, в которые засыпается сухое сырьё. Для того чтобы экстракт и сухие вещества, содержащиеся в сухой мяте, с большей эффективностью извлекались из ее листьев, сетки, заполненные растительным сырьем вращаются внутри ванны. Одновременно с интенсификацией процесса выделения сухих веществ, производится перемешивание смеси, что также обеспечивает быстрое экстрагирование. То есть, сетки выполняют функцию перемешивающих органов 3 (мешалки).
Сетки представляют собой цилиндры, выполненные из пластика, проницаемого для СВЧ – энергии, размещенные в специальных поддерживающих стаканах, расположенных на одном вращающемся валу 4.
Ванна имеет нижний привод. Размещение электродвигателя внизу оборудования позволяет значительно облегчить вес верхней крышки 5.
Следовательно, для её подъёма не нужно предусматривать специальных устройств.
С наружной стороны рабочей камеры установлены волноводы 9, через которые в рабочую часть ванны поступает СВЧ-энергия от магнетрона.
Подача СВЧ-энергии осуществляется непрерывно, т.к. в поле действия СВЧ-энергии постоянно находится один из стаканов. Корпус установки 7 покрыт теплоизоляционным материалом 8.
На рисунке 8 изображена функциональная схема автоматизации универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ с использованием СВЧ излучения.
Сухое растительное сырье загружается в универсальную ванну через дозатор 1, вода поступает в ванну через дозатор 2. Индикатор дозировки 3 показывает процесс дозировки. После заполнения ванны сырьем датчик-уровнемер 4 показывает уровень продукта в емкости. Закрывается крышка 6. Индикатор закрытия крышки 7 сигнализирует о не закрытии крышки. Если Рисунок 7 - Принципиальная закрытия не произошло, срабатывает реле 5 и дальнейшее схема универсальной ванны для ведение процесса останавливается. После закрытия извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья крышки включается мешалка 10.
Рисунок 8 – Функциональная схема автоматизации универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ: 1 - дозатор мяты;
2 - дозатор воды;
3 - индикатор дозировки;
4 - датчик-уровнемер;
- реле;
6 - привод крышки;
7 - индикатор закрытия крышки;
8 – тахометр;
9 - регулятор мощности;
10 мешалка;
11 - индикатор перемешивания;
12, 13 - реле времени;
14 - СВЧ-излучатель;
15 - индикатор СВЧ;
16 – расходомер;
17 - насос;
18 - индикатор выгрузки.
Частота вращения мешалки регулируется тахометром 8, в результате чего регулятор мощности 9 привода электродвигателя мешалки начинает вращаться с необходимой частотой, согласно технологического процесса. Включается индикатор перемешивания 11.
После того как частота вращения мешалки устанавливается на необходимом уровне включается СВЧ-излучатель 14, о включении которого сигнализирует индикатор СВЧ 15.
Продолжительность работы мешалки и СВЧ-излучателя регулируется реле временем 12, 13.
После проведения процесса экстракции магнетрон и мешалка отключаются, включается насос 17 и загорается индикатор выгрузки 18. Насос предназначен для перекачивания экстракта на следующую технологическую операцию согласно технологии.
Объем перекачиваемой жидкости контролируется расходомером 16.
Производственные испытания с применением разработанной производственной ванны для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья при помощи СВЧ-излучения проводились на базе производственной площадки «Кезский сырзавод»
ОАО «МИЛКОМ» п. Кез Удмуртской Республики. Разработано промышленное оборудование для проведения процесса экстракции (рисунок 9). По итогам испытаний технология извлечения экстрактивных веществ внедрена на данном предприятии, в результате чего была произведена партия кефирного продукта с экстрактом мяты.
3 Рисунок 9 – Универсальная ванна для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ – излучения: 1 – крышка;
2 – корпус;
3 – электродвигатель;
4 – разгрузочный патрубок;
5 – пульт управления;
6 – СВЧ-излучатель.
Ванна входит в состав линии производства кефирного продукта с экстрактом мяты и состоит из корпуса 2 с крышкой 1;
нижнего электропривода мешалки 3;
разгрузочного патрубка для выхода экстракта мяты 4;
СВЧ-излучателя 6, предназначенного для интенсификации процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья;
пульта управления 6.
Выбор СВЧ-излучателя осуществлялся в соответствии с математической моделью. Исходя из расчетов, была изготовлена универсальная ванна для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья объемом 143 дм3. СВЧ-излучатель установили с постоянной частотой электромагнитного поля 2,45±0,05 ГГц и мощностью 1500 Вт в количестве 3 шт.
Обработку сухой мяты в воде проводили при температуре 20…40 С с выдержкой 15 мин, в соответствии с разработанной технологией указанной во второй и третьей главах.
В ходе испытаний контролировались следующие показатели: температура экстракта;
выход экстрактивных веществ. Температура экстракта входила в диапазон 20…40 С.
На рисунке 10 изображен график зависимости концентрации экстрактивных веществ от продолжительности воздействия СВЧ-излучением.
Из графика видно, что теоретические исследования подтвердились. Таким образом, теоретические данные совпадают с опытными, что подтверждает правильность математической модели и правильность выбранных оптимальных параметров при лабораторных испытаниях.
Опытные образцы экстракта мяты 3, y = 1,4261ln(x) + 0, анализировались по физико 3, химическим показателям. За Концентрация экстракта мяты, контрольный образец был взят 2, Концентрац экстракт мяты, полученный без ия экстракта 2, применения СВЧ-излучения.
мяты 1,500 (опытная) Концентрация опытных образцов г/л составляла 2,5 г/л. (рисунок 11).
Концентрац 1, ия экстракта По результатам опытов был мяты 0, проведен однофакторный (теоретичес кая) дисперсионный анализ 0, 1 5 10 15 20 25 Адекватность результатов Продолжительность СВЧ - излучения, мин экспериментов проверяли с Рисунок 10 – График зависимости концентрации помощью критерия Фишера. По экстрактивных веществ от продолжительности воздействия результатам исследования СВЧ - излучением оптимальным параметром является получение экстракта мяты с сахаром при воздействии СВЧ-излучения. Результаты опыта адекватны с вероятностью 95%.
Массовая доля сухих веществ, % 5 без сахара с сахаром Контрольный Опытный образец образец Рисунок 11 – Массовая доля сухих веществ в экстракте мяты Кислотность готового продукта от внесенных добавок остается в пределах нормы (от 80 до 120 градусов Тернера) для кефира 2,5% жирности. Данный показатель влияет на органолептические показатели готового продукта. Таким образом, добавление добавок снижает характерный кислый вкус продукта, который, зачастую, не устраивает потребителей.
Динамическая вязкость в продукте при добавлении экстракта мяты относительно контрольного образца изменяется в меньшую сторону.
Органолептическая оценка качества кефирного продукта с экстрактом мяты показала, что наилучшие показатели преобладают у кефирного продукта с экстрактом мяты, полученным с применением СВЧ-излучения. Таким образом, можно сделать вывод, что применение СВЧ-излучения для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья эффективно в условиях производства продуктов питания.
Для определения сроков годности нового кисломолочного продукта проведён анализ изменения кислотности в зависимости от сроков хранения (рисунок 12). Срок годности кефира составляет 5 суток.
140 Кефир 2,5%-ной Кислотность, Т жирности Кефирный 60 продукт с 40 экстрактом мяты время, сутки Рисунок 12 – График зависимости кислотности от времени хранения Анализ сроков годности нового кефирного продукта и кефира 2,5%-ной жирности показал, что кислотность кефира с использованием экстракта мяты нарастает значительно медленнее, что видно из графика зависимости кислотности от времени хранения. Результаты опыта адекватны с вероятностью 95%.
В пятой главе «Технико-экономическое обоснование внедрения технологии для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья СВЧ-энергией в производство» приведены расчеты капиталовложений и эксплуатационных расходов на извлечение экстрактивных веществ при помощи СВЧ-излучения. Целью технико экономического обоснования является доказательство технической возможности и экономической целесообразности проектирования нового технологического оборудования.
Таблица 1 – Технико-экономические показатели при внедрении универсальной ванны для извлечения экстрактивных веществ с СВЧ – излучением в производство Линия Откло Показатель № нения Существ. Модернизир.
Балансовая стоимость, руб.
1 - 250000 Количество обслуживающих рабочих, чел.
2 4 4 Себестоимость единицы продукции, руб./т 3 19041,32 20062,04 1020, Годовая валовая прибыль, руб.
4 - 1083351,6 Чистая прибыль в год, руб.
5 - 866681,28 Срок окупаемости капитальных затрат, лет 6 - 0,29 Рентабельность, % 7 - 12 Годовой экономический эффект от реализации кефирного продукта с мятой при использовании установки для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ-энергии составит 866681,28 руб в год.
Экономическая эффективность внедрения установки на производство составляет 1,12 руб./руб. Срок окупаемости капитальных затрат при производстве одной тонны кефирного продукта с мятой в день составит 0,29 года (106 рабочих дней). Внедрение установки для извлечения экстрактивных веществ с использованием СВЧ-энергии в технологическую линию по производству кефирного продукта с мятой экономически выгодно, так как значение чистой прибыли положительное и составляет за трехлетний период 2600043,84 рублей.
Энергетический эффект от применения СВЧ-излучения равен 8,4 МДж, при этом годовая экономия составит 24111,9 руб.
ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ технологий и оборудования экстракции растительного сырья физическими, химическими и электрофизическими способами, позволил установить целесообразность использования СВЧ-излучения для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с точки зрения снижения времени экстрагирования.
2. На основе экспериментальных исследований на лабораторной установке для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с СВЧ-излучателем, обоснована технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ-излучения.
3. Разработана технология извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ-излучения частотой 2,45±0,05 ГГц, удельной мощностью 1750 Вт/л при температуре водопроводной воды 20…40 С и экспозиции 15…18 минут.
4. Разработана математическая модель извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с использованием СВЧ – излучения на установке периодического действия. На основании полученной зависимости, для исследований и определения оптимальных режимов СВЧ–излучения раствора мяты при частоте f=2,45±0,05 ГГц можно использовать следующие диапазоны входных параметров, позволяющие производить процесс извлечения экстрактивных веществ с использованием СВЧ энергии при наименьших температурах t=20…40 С: времени обработки =15…18 мин, удельной мощности Р=50…60 кВт/м3, мощности магнетрона 1500 Вт.
5. Разработана производственная универсальная ванна. Для которой разработана принципиальная схема электрооборудования, блок-схема управления, а также функциональная схема управления процессом автоматизации процесса извлечения экстрактивных веществ. Разработанная универсальная ванна для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья УВЭ-0,143 имеет следующие характеристики: объем ванны – 143 дм3;
объем загружаемой жидкости – 70 л;
номинальная мощность электродвигателя мешалки – 0,37 кВт;
СВЧ – излучатель с постоянной частотой электромагнитного поля – 2,45±0,05 ГГц;
мощность магнетрона для ванны данного объема составляет 1500 Вт;
количество магнетронов – 3 шт;
температура обработки мяты в воде – 20…40 С;
экспозиция обработки при данных режимах 15…18 мин.
6. Разработана технология изготовления кефирного продукта с мятой, с использованием полученного экстракта. Кефирный продукт прошел физико химические и органолептические исследования: кислотность готового продукта от внесенных добавок остается в пределах нормы (от 80 до 120 градусов Тернера) для кефира 2,5% жирности;
динамическая вязкость в продукте относительно контрольного образца изменяется в меньшую сторону – 0,0033 Па·с;
жирность готового продукта по сравнению с контрольным не изменяется.
7. Обоснована технико-экономическая эффективность разработанной технологии и оборудования. Годовой экономический эффект от реализации кефирного продукта с мятой при использовании установки для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья с применением СВЧ-энергии составит 866681,28 руб в год.
Экономическая эффективность составит 1,12 руб./руб. Энергетический эффект от применения СВЧ-излучения равен 8,4 МДж, при этом годовая экономия составит 24111,9 руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Журналы, указанные в перечне ВАК:
1. Копысова, Т. С. Разработка кисломолочного продукта с использованием отвара мяты / Т. С. Копысова, Н.Ф. Ушакова, Р.Р. Гадлгареева, А.Г. Ларионова // Хранение и переработка сельхозсырья. - № 6. - 2011. - С.67-68.
2. Ушакова, Н.Ф. Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов [Текст] / Н.Ф.Ушакова, Т.С. Копысова, А.Г. Кудряшова, В.В. Касаткин // Пищевая промышленность. – 2013.- №10. – С 30- Другие издания:
3. Копысова Т.С., Литвинюк Н.Ю., Сулиманова Л.Д., Смищук Л.В. Примененние мембранных технологий для производства продуктов школьного питания с.169 173//Региональный рынок потребительских товаров: особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг: сб. тр. Третьей Всероссийской науч. - практ. Конф. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. -384 с.
4. Смищук Л.В.,Литвинюк Н.Ю., Сулиманова Л.Д., Копысова Т.С. Использование современных технологий и оборудования на базе комбината школьного питания с.283 286//Региональный рынок потребительских товаров: особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг: сб. тр. Третьей Всероссийской науч. - практ. Конф. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. -384 с.
5. Сулиманова Л.Д., Литвинюк Н.Ю., Смищук Л.В., Копысова Т.С. Применение интегрированной модели качества и безопасности в условиях комбината школьного питания с.297-300//Региональный рынок потребительских товаров: особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг: сб. тр. Третьей Всероссийской науч. практ. Конф. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. -384 с.
6. Характеристика и анализ питания учащихся в городе Ижевске / Т.С, Копысова, Н.Ф.
Ушакова, Н.Ю. Литвинюк, С. (44-48) 393-397 // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: в 3 т. Том II: Общественное питание. Нутрициология: сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, г. Челябинск, 11 декабря 2009 г. – Челябинск:
Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 164 с.
7. Копысова Т.С, Разработка новых способов приготовления пищи в общественном питании с. 244-246//Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: сборник материалов IV Международной научно практической конференции, г. Челябинск, 22 октября 2010 г. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 290 с.
8. Копысова Т.С, Разработка способов производства продуктов в общественном питании с. 135 – 137//Качество продукции, технологии и образования: материалы V Всероссийской научно-практической конференции, г. Магнитогорск, 13 – 14 апреля 2010 г. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2010. – 244 с.
9. Копысова Т.С., Исследование кисломолочных продуктов питания с применением растительного экстракта по физико-химическим показателям с.131 – 133//Инновационные технологии переработки продовольственного сырья: материалы Междунар. науч.-техн. конф.
– Владивосток: Дальрыбвтуз, 2011. – 479 с.
10. Копысова Т.С., Анализ влияния различных видов энергии на выход экстрактивных веществ из растительного сырья с. 17 – 20//Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности:
материалы Международной научно-практической конференции, проходившей в рамках IV этапа Евразийского экономического форума молодежи «ДИАЛОГ ЦИВИЛИЗАЦИЙ – YOUTH GLOBAL MIND», направление «Евразия как территория здоровья», 3 – 5 декабря 2012 г. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2013. – 120 с.
11. Выгузова М.А., Копысова Т.С., Кудряшова А.Г., Спиридонов А.Б., Ушакова Н.Ф.
Комплекс по переработке органических отходов сельскохозяйственных предприятий и пищевых производств / Научно-техническое и инновационное развитие АПК России // Сб. тр.
Всерос. совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2013. – С.75-77.
12. Копысова Т.С. Исследование Влияние СВЧ-излучения на физико-химические показатели экстракта мяты и готового продукта с. 163 – 167 // Технические науки – от теории к практике. № 9 (22): сборник статей по материалам XXVI международной научно практической конференции. – Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. – 200 с.
Сдано в производство 07.11. Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84 1/16.
Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.