Способ и устройство для низкотемпературной вакуумной сушки измельченных продуктов животного и растительного происхождения
Владельцы патента RU 2773934:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН (RU)
Изобретение относится к сушильному оборудованию измельченных пищевых продуктов. Предложена установка для низкотемпературной вакуумной сушки измельченных пищевых продуктов животного и растительного происхождения, которая состоит из вакуумной камеры, выполненной в виде тора с подвижной верхней крышкой, в которой расположены не менее восьми магнетронов для микроволнового подогрева продукта, и верхним окном загрузочного бункера, вакуумного ресивера, вакуум в котором создается и поддерживается при помощи вакуумного насоса, трубопроводов и запорной вакуумной арматуры для возможного присоединения по меньшей мере еще одной вакуумной камеры, при этом вакуумная камера имеет неподвижную боковую стенку, с расположенными в ней патрубками с быстродействующими клапаном для создания вакуума, соединенным с вакуумным ресивером, и клапаном для снятия вакуума и выравнивания давления, днище, по которому распределяется и выгружается высушенный продукт через нижнее разгрузочное окно при помощи толкателя, независимые поворотные механизмы для вращения верхней крышки и толкателя, а также устройство, измеряющее изменение температуры продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого магнетрона, по сигналу которого каждый из магнетронов включается и выключается, причем излучатели каждого из магнетронов расположены под углом 45°+/-10° к поверхности дна вакуумной камеры, а внутренний объем вакуумной камеры соотносится с объемом вакуумного ресивера не менее чем 1:10. Также предложен способ низкотемпературной вакуумной сушки измельченных пищевых продуктов животного и растительного происхождения с использованием указанного устройства, который включает подогрев высушиваемого продукта за счет импульсного воздействия электромагнитного поля сверх высокой частоты, которое создают включением и выключением магнетронов, сушку до достижения температуры продукта 30-40°С, при этом в начале сушки в вакуумной камере в течение 1-1,5 мин снижают давление до значений 10-15 мм рт. ст. Изобретение позволяет повысить качество высушенной продукции, снижение энергетических затрат и сокращение продолжительности процесса обезвоживания. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к сушильному оборудованию и обеспечивает вакуумную сушку измельченных пищевых продуктов, в том числе и замороженных.
Известно, что одним из перспективных способов консервации продуктов, с точки зрения максимального сохранения в нем полезных составляющих, является сублимационная или низкотемпературная вакуумная сушка.
Основные отличия сублимационной сушки от низкотемпературной вакуумной сушки.
При сублимационной сушке происходит испарение влаги непосредственно из замороженного состояния (льда), т.е. без фазового перехода льда в жидкость. Однако, сублимационная вакуумная сушка требует значительных затрат энергии и времени на осуществление процесса сушки, что приводит к высокой стоимости продукта и высокой стоимости оборудования. При низкотемпературной вакуумной сушке реализуется переход влаги, содержащейся в измельченном продукте (измельченный замороженный продукт на первой стадии высушивания размораживается), из жидкого состояния в пар. В вакуумной камере при еще значительной величине влагосодержания в продукте происходит не просто испарение, а интенсивное кипение, при температуре от нуля до сорока - пятидесяти градусов, в зависимости от объекта обезвоживания. При этом в готовом, обезвоженном изделии сохраняются практически все присущие исходному сырью витамины и другие полезные нутриентные элементы.
В известна вакуумная сублимационная установка для сушки биологических материалов (патент РФ RU21196622C1) содержащая вакуумную камеру с одной или двумя этажерками из нескольких плит, вынесенный за пределы камеры холодильный агрегат с конденсатором - вымораживателем воды из паров воздуха, (далее десублиматор) отсасываемых вакуумным насосом, вакуумный насос, трубопроводную и запорную арматуру, приборы контроля и автоматики и т.п.Подогрев продукта в камере происходит за счет его кондукторного контакта с поверхностью плит, которые нагреваются посредством горячего теплоносителя, пара или электронагревательных элементов.Недостатком является не равномерный подогрев продукта и длительность процесса сушки
Микроволновые вакуумные установки, например, серии "Муссон, предназначенные для обработки продуктов с использованием микроволнового разогрева и вакуума, и СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКЦИИ В ВАКУУМНОЙ СВЧ СУШИЛКЕ - патент РФ RU 2735914 C1. Недостатками данных устройств является отсутствие контроля температуры самого объекта сушки, что может привести к его перегреву, а также сложность организации процесса «загрузки - выгрузки», что существенно увеличивает общую продолжительность процесса сушки.
Прототипом является «СУБЛИМАТОР С СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СУШКИ ЗАМОРОЖЕННОЙ ПРОДУКЦИИ» (Патент РФ RU 2565227 C1).
Сублиматор представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру с нижним и верхним люками и патрубками для вакуум-насоса и слива отходов, разделенную на две части с помощью многослойных перфорированных перегородок из неферромагнитного материала, причем в ее нижней части, служащей объемным резонатором СВЧ-генератора, расположена диэлектрическая мешалка, а в верхней части камеры установлен конденсатор-вымораживатель, соединенный с холодильным контуром, расположенным с внешней стороны камеры, при этом генераторный блок герметично закреплен к объемному резонатору с внешней стороны так, что магнетрон направлен вовнутрь, а мотор редуктор привода мешалки установлен под нижним основанием цилиндрической камеры. Основным температурным параметром при сушке продукта в данном устройстве является изменение его среднеобъемной температуры.
Недостатком данного устройства является то, что контролируемая температура разогрева пищевого продукта определяется, как среднеобъемная, а это не исключает перегрева части продукта выше установленного максимума, в следствии чего часть, например, витаминов или белков будут разрушаться, что негативно отразится на качестве готового изделия. Кроме того, процессы равномерной загрузки и выгрузки продукта сложны, а сам процесс сушки занимает много времени (также тратится дополнительная энергия из-за дополнительно установленных перегородок из неферромагнитного материала происходит снижение мощности потока СВЧ волн при непрерывной работе магнетрона.).
Целью изобретения является повышение качества высушенной продукции, снижение энергетических затрат и сокращение продолжительности процесса обезвоживания.
Цель достигается за счет за счет организации импульсной работы СВЧ магнетронов при нагреве продукта не выше заданной температуры в процессе его сушки, автоматизации технологического процесса загрузки и выгрузки продукта, использования дополнительного вакуумного ресивера с объемом в несколько раз превышающим объем вакуумной камеры.
В предлагаемом изобретении, с целью снижение энергетических затрат, подогрев измельченного продукта осуществляется за счет воздействия энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, но не постоянного воздействия, а импульсного, которое создают попеременно включающиеся магнетронами (не менее восьми), каждый из которых включается и выключается по сигналу (команде) устройства измеряющего, в процессе сушки, температуру продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого из магнетронов.
На фиг.1, 2 и 3 представлены пространственные изображения вакуумной камеры. Вакуумная камера для сушки измельченного продукта содержит: камеру, исполненную в виде тора с подвижной верхней крышкой 1 и с загрузочным бункером 2; магнетроны СВЧ волн 3; неподвижную боковую стенку 4 с расположенными в ней патрубками с быстродействующими клапанами для создания вакуума 5 и снятия вакуума (до величины атмосферного) 6; днище вакуумной камеры 7, по которому распределяется, перемещается и выгружается через разгрузочное окно 9 и высушенный продукт с помощью специального штока 8. А также независимые поворотные механизмы для вращения верхней крышки камеры и толкателя, устройство измеряющее, в процессе сушки, температуру продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого из магнетронов и управляющее их включением- выключением (на рисунках не показаны). Толкатель и все внутренние поверхности вакуумной камеры покрыты анти адгезионным материалом (например, фторопластом или тефлоном). На фиг.4 представлена общая (принципиальная - без мелких узлов и деталей) схема установки для вакуумной сушки измельченного продукта.
Процесс сушки происходит следующим образом.
В начале работы включают холодильную машину (на рисунке не показано), испаритель которой находится внутри вакуумного ресивера (II - фиг.4). Практически одновременно включают вакуумный насос (III - фиг.4) и создают необходимую величину вакуума в вакуумном ресивере (II), далее в течение всего процесса сушки автоматически поддерживается заданное значение вакуума путем включения и выключения насоса при изменении давления. Далее загружают в вакуумную камеру замороженный или не замороженный измельченный пищевой продукт.Происходит это, следующим образом (см. фиг.1, 2 и 3). При загрузке продукта толкатель в камере находится в положении между верхним окном загрузочного бункера (в верхней крышке камеры) и нижним разгрузочным окном (в днище камеры). После заполнения бункера продуктом (объем которого соответствует объему распределения продукта по днищу камеры толщиной не более 20 мм), независимый механизм с помощью мотора-редуктора медленно вращает верхнюю крышку камеры против часовой стрелки, тем самым равномерно распределяя через открытое разгрузочное окно продукт по всей поверхности днища камеры. Сделав один оборот и достигнув первоначального положения, поворотный механизм останавливается, в этом положении окно загрузочного бункера остается закрытым. После этого, открывают быстродействующий клапан 5, соединенный с вакуумным ресивером, обеспечивая резкое создание заданной величины вакуума в камере - равное величине вакуума в ресивере, за счет существенной разницы (не менее чем в 10 раз, что во время осуществления сушки, дает возможность поддерживать в вакуумном ресивере заданное давление с помощью экономичного и не дорогого вакуумного насоса) объемов вакуумной камеры и вакуумного ресивера. Процесс вакуумной сушки начался. Для интенсификации процесса сушки, подогрев высушиваемого продукта осуществляется за счет импульсного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, излучаемого попеременно включающимися по сигналу устройства, контролирующего изменение заданной температуры продукта в зоне действия излучателей магнетронов, расположенных в верней крышке камеры 3. После завершения процесса сушки, обычно это определяется по достижению заданной температуры продукта плюс 30 - 40 °С, закрывают клапан 5 и открывают клапан 6 для выравнивания давления в камере 1 до величины атмосферного. Для выгрузки готового продукта из камеры 1, включается независимый поворотный механизм для вращения против часовой стрелки специального толкателя 8, поворот которого открывает разгрузочное окно и одновременно перемещает готовый, высушенный измельченный продукт по внутреннему днищу камеры 7 к разгрузочному окну 9. Следует отметить, что из-за специально подобранной разницы между внутренним объемом камеры и вакуумного ресивера (не менее, чем в 10 раз), к последнему, можно присоединить, посредством вакуумной арматуры и быстродействующих клапанов, еще одну или несколько камер, которые должны аналогично работать, но с определенным временным запаздыванием, рассчитываемым в зависимости от их количества. Такое решение может серьезно увеличить производительность производства.
В начальный период сушки давление в вакуумной камере, равно как и в вакуумном ресивере, не должно превышать значений выше 10 - 15 мм рт.ст., т.к. в противном случае скорость миграции влаги из внутренних слоев измельченного продукта сильно сократится, т.к. ее значение пропорционально разнице парциальных давлений паров воды над его поверхность и над охлаждаемой поверхность десублиматора в вакуумном ресивере. Чем больше эта разница, тем выше скорость сушки (обезвоживания), это особенно заметно при таком интенсивном, объемном способе разогрева продукта в процессе вакуумной сушки, как СВЧ волнами. Поддержание давления в камере ниже 10 мм рт.ст.экономически не целесообразно.
Учитывая относительно не большую внутреннюю высоту вакуумной камеры (что определяется толщиной слоя высушиваемого измельченного продукта) и расположение магнетронов электромагнитных СВЧ волн в ее крышке, (то телесный угол их излучения) и зона покрытия продукта в вакуумной камере будет больше, если их расположить под углом к поверхности дна камеры. Из геометрических расчетов, можно предположить, что величина такого угла должна лежать в пределах 45+/- 10°, а их количество - не менее восьми. Другими словами, излучатели каждого из магнетронов расположены таким образом, что ось телесного угла СВЧ - волн обеспечивает равномерный подогрев всего продукта в камере.
1. Установка для низкотемпературной вакуумной сушки измельченных пищевых продуктов животного и растительного происхождения, характеризующаяся тем, что состоит из вакуумной камеры, выполненной в виде тора с подвижной верхней крышкой, в которой расположены не менее восьми магнетронов для микроволнового подогрева продукта, и верхним окном загрузочного бункера, вакуумного ресивера, вакуум в котором создается и поддерживается при помощи вакуумного насоса, трубопроводов и запорной вакуумной арматуры для возможного присоединения по меньшей мере еще одной вакуумной камеры, при этом вакуумная камера имеет неподвижную боковую стенку, с расположенными в ней патрубками с быстродействующими клапаном для создания вакуума, соединенным с вакуумным ресивером, и клапаном для снятия вакуума и выравнивания давления, днище, по которому распределяется и выгружается высушенный продукт через нижнее разгрузочное окно при помощи толкателя, независимые поворотные механизмы для вращения верхней крышки и толкателя, а также устройство, измеряющее изменение температуры продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого магнетрона, по сигналу которого каждый из магнетронов включается и выключается, причем излучатели каждого из магнетронов расположены под углом 45°+/-10° к поверхности дна вакуумной камеры, а внутренний объем вакуумной камеры соотносится с объемом вакуумного ресивера не менее чем 1:10.
2. Способ низкотемпературной вакуумной сушки измельченных пищевых продуктов животного и растительного происхождения с использованием устройства по п.1, характеризующийся тем, что включает подогрев высушиваемого продукта за счет импульсного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, которое создают включением и выключением магнетронов, сушку до достижения температуры продукта 30-40°С, при этом в начале сушки в вакуумной камере в течение 1-1,5 мин снижают давление до значений 10-15 мм рт. ст.
