DEVELOPING RATIONAL MODES OF DRYING GELATIN BROTH FROM FISH PROCESSING WASTE
Rubrics: ENGINEERING AND NATURAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
LLC"Corporation MetaSynthes"
3.
Astrakhan State Technical University
(Head of the Department of Technological Machines and Equipment)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 30
to 36
Status:
Published
Received:
10.04.2019
Accepted:
15.04.2019
Published:
15.04.2019
Subject area:
UDK 664.97, 664.959.5
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
gelatin, gelatin broth, the convective-radiative drying, fish processing wastes, convective energy supply, convective-radiation drying
Abstract (English):
The article presents the research of kinetics and intensity of convective-radiation foam drying of gelatin broth from ordinary fish processing wastes in the Astrakhan region. Approximating dependences of dry gelatin removal from the unit area of the working surface per unit time on the varied factors have been obtained. The rational modes of the process, in which the maximum specific removal of the dry product is achieved, have been determined. It has been found that using only radiation energy supply makes the process of foaming gelatin broth difficult due to the uncontrolled sharp increase of temperature of the product and, as a consequence, the subsequent melting and destruction of the foam. Putting radiation energy supply into the process of convective foam drying of the gelatinized broth under rational conditions increases the specific productivity of the process by three times.
The article presents the research of kinetics and intensity of convective-radiation foam drying of gelatin broth from ordinary fish processing wastes in the Astrakhan region. Approximating dependences of dry gelatin removal from the unit area of the working surface per unit time on the varied factors have been obtained. The rational modes of the process, in which the maximum specific removal of the dry product is achieved, have been determined. It has been found that using only radiation energy supply makes the process of foaming gelatin broth difficult due to the uncontrolled sharp increase of temperature of the product and, as a consequence, the subsequent melting and destruction of the foam. Putting radiation energy supply into the process of convective foam drying of the gelatinized broth under rational conditions increases the specific productivity of the process by three times.
Keywords:
gelatin, gelatin broth, the convective-radiative drying, fish processing wastes, convective energy supply, convective-radiation drying
gelatin, gelatin broth, the convective-radiative drying, fish processing wastes, convective energy supply, convective-radiation drying
В настоящее время отходы переработки рыб представляют интерес как исходное сырье для производства желатина. Данный продукт является одним из наиболее востребованных в различных отраслях пищевой и химической промышленности. Следует отметить, что на российском рынке желатина преимущественно представлена продукция зарубежных стран, что в условиях импортозамещения делает создание и развитие новых производств желатина весьма актуальной задачей. В процессе создания или совершенствования производства необходимо разрабатывать и внедрять научно обоснованные ресурсо- и энергосберегающие технические решения, в том числе позволяющие исключить зависимость существующих технологий производства желатина от сырья. Ввиду вышесказанного, совершенствование технологических процессов производства желатина на основе отходов рыбопереработки является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит усовершенствовать существующие и создать новые промышленные производства желатина из нетрадиционного коллагенсодержащего сырья. Объекты и методы исследования Сушка - заключительная стадия производства сухого желатина, характеризующаяся сравнительно высокой энергоемкостью и определяющая качество сухого продукта. Традиционно желатиновый бульон сушат в желатинизированном состоянии в форме слоя (пластин или прядей) на рабочей поверхности сушилки при конвективном энергоподводе [1-5]. Учитывая структурно-механические и пеноструктурные характеристики желатинового бульона, перспективным направлением совершенствования процесса получения сухого желатина является радиационная сушка во вспененном состоянии. Вспенивание исходного продукта при соблюдении условий стабильности пенослоя существенно интенсифицирует процесс за счет увеличения поверхности тепломассообмена, при этом уменьшается адгезия продукта к рабочей поверхности сушилки, улучшается съем сухого продукта, сокращаются интенсивность засорения сушилок и энергозатраты на дробление сухого желатина [6-8]. Объемный радиационный энергоподвод, в сравнении с традиционными методами, также обладает рядом преимуществ, способствующих энерго- и ресурсосбережению, упрощению аппаратурного оформления процесса [6, 8-10]: - обеззараживание продукта (в частности, воздействие на продукт радиационным излучением позволяет снизить микробную обсемененность продукта); - наиболее равномерный прогрев продукта, что обусловливается выделением тепла в объеме высушиваемого материала; - практически абсолютный (ввиду отсутствия тепловых потерь) расход подведенной к объекту сушки энергии на его нагрев; - сравнительная простота конструкции и малая металлоемкость сушильных аппаратов; - сравнительно низкие удельные энергозатраты. Материалы исследования, результаты и их обсуждение В результате предварительных исследований конвективно-радиационной сушки пенослоя желатинового студня с влажностью 75 % и толщиной 4 мм на алюминиевой полированной подложке установлено, что облучаемая и омываемая воздухом поверхность образца стеклуется в начале процесса, преобразуясь в материал, трудно подвергающийся механическому разрушению. При этом сердцевина и контактирующая с подложкой поверхность образца оставались влажными, в частности, сердцевина на 20-40 минутах сушки оставалась жидкой, а контактирующая с подложкой поверхность - упругой. При продолжении процесса между подложкой и образцом образовывался конденсат, влага скапливалась в месте наименьшего сопротивления - на поверхности контакта образца с подложкой. Примечательно, что при сушке синтетического ПАВ (сульфонола) [8] в сердцевине пенослоя ПАВ происходило накопление пара (парниковый эффект), который затем прорывался через оболочку (внешний стеклованный слой). В случае обезвоживания вспененного раствора желатина разрыв оболочки паром невозможен, давления пара внутри продукта недостаточно для разрыва подсохшей поверхности образца, которая обладает существенно большей прочностью и эластичностью, чем у пенослоя сульфонола. Таким образом, учитывая физико-механические свойства желатина, для интенсификации процесса сушки целесообразно организовать объемный конвективно-радиационный энергоподвод. При этом для равномерности обезвоживания материала образцы подаваемого на сушку продукта целесообразно изготавливать в форме штранг (круглого, прямоугольного или квадратного сечения), например, путем экструзии или разрезания желатинизированного пенослоя. Целью настоящих исследований являлась разработка рациональных режимов сушки желатинового бульона на основе изучения кинетики и интенсивности сушки при различных условиях протекания процесса. С учетом литературных данных [6, 8-12], а также предварительных экспериментальных данных для исследования конвективно-радиационной сушки вспененного желатинового бульона в желатинизированном состоянии из отходов переработки рыб были выбраны следующие варианты реализации процесса: - в форме штранг круглого сечения при объемном конвективном энергоподводе; - в форме штранг круглого сечения при объемном конвективно-радиационном энергоподводе. Для проведения исследований использовались вероятностно-статистические методы планирования и обработки эмпирических данных, исследования проводились по полному многофакторному многоуровневому плану; для уточнения влияния отдельных факторов на интенсивность процесса обезвоживания все второстепенные параметры были зафиксированы, а в качестве целевой функции был выбран съем (выход) сухого желатина с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени, G, кг/(м2×ч) [6, 8]: , (1) где Мсп - масса высушенного продукта до конечной влажности не более wк = 0,1 кг/кг, выбор которой осуществлен на основе результатов анализа гигроскопических характеристик продукта; F - площадь рабочей поверхности, занимаемой продуктом, м2; τ - экспериментальное время сушки, ч. В табл. 1 представлены основные факторы, влияющие на интенсивность процесса конвективной пеносушки желатинового бульона, а также уровни их варьирования, установленные в результате предварительных исследований; к указанным факторам относятся: начальная концентрация сухих веществ в продукте С, кг/кг; начальный диаметр штранга пены dн, м; температура Tв, К; влажность W, кг/кг; скорость сушильного агента (воздуха) v, м/c; плотность теплового потока, падающего с одной стороны стержня (с одной стороны на образованный штрангами пены слой продукта), Е, кВт/м2. Таблица 1 Уровни варьирования факторов при конвективно-радиационной пеносушке желатинового бульона Уровень Факторы dн, м С, кг/кг Е, кВт/м2 W, % v, м/c Tв, К 1 0,002 0,24 0,95 50-60 4-5 292-295 2 0,003 0,80 2,45 - - - 3 0,004 0,86 - - - - 4 0,005 - - - - - Исследования проводились с использованием лабораторного оборудования ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет». Для проведения исследований желатиновый бульон готовился по методике [13] из отходов переработки рыб частиковых пород Астраханского региона (кожа, чешуя, кости, плавники, хрящи), полученных при разделке. Бульон, предварительно вспененный до максимальной кратности пены, экструдировали в форме штранг круглого сечения диаметром dн, мм; поступавшие из фильер экструдера штранги желатинизировали, затем закрепляли в специальном держателе в сушильной камере лабораторной конвективно-радиационной сушилки параллельно потоку воздуха. Полученные таким образом экспериментальные образцы сушили до конечной влажности, не превышающей wк = 0,1 кг/кг. Для получения кривых сушки держатель с образцом периодически взвешивали. В результате экспериментальных исследований установлено следующее. Существенное влияние на интенсивность сушки оказывает начальная концентрация сухих веществ С в желатиновом бульоне, варьируемая, исходя из данных о пеноструктурных, структурно-механических и теплофизических характеристиках, в пределах 14-26 %. При концентрации сухих веществ равной 26 % пена обладает стабильностью, достаточной для реализации процесса влагоудаления без предварительного подсушивания. Превышение значения С = 26 % нецелесообразно ввиду увеличения длительности упаривания желатинового бульона, соответственно, ухудшения его качественных характеристик и увеличения энергозатрат на реализацию процесса. Нижний предел С = 14 % обусловлен резким снижением стабильности стержня пены, что приводит к его разрушению в процессе сушки. Диапазон изменения диаметра стержня пенослоя (штранга) d1 желатинового бульона 2-5 мм обусловлен обеспечением стабильности пены в процессе сушки. Формирование диаметра менее 2 мм технически трудноосуществимо и нецелесообразно ввиду резкого снижения выхода сухого желатина. Увеличение диаметра более 5 мм приводит к снижению производительности процесса, а также к локальному поверхностному расплавлению и последующему стеклованию высушиваемого продукта при сохранении влаги в центре штранга и, как следствие, ухудшению качества сухого желатина. Пена желатинового бульона в начале процесса сушки сохраняет стабильность исключительно в желатинизированном состоянии (в состоянии студня). При этом применение только радиационного энергоподвода (без конвективного) в процессе пеносушки затруднительно в силу неконтролируемого резкого повышения температуры продукта и, как следствие, последующего плавления и разрушения пены. Применение в процессе сушки воздуха в качестве охлаждающего агента, температура которого не превышает температуру желатинизации (T = 292-295 К), а также выдерживание плотности теплового потока инфракрасного облучения, падающего с одной стороны стержня, в диапазоне Е = 0,95-2,45 кВт/м2, позволяют стабилизировать температуру высушиваемого пенослоя на уровне, не превышающем температуру его плавления. Уменьшение плотности теплового потока менее 0,95 кВт/м2 нецелесообразно ввиду резкого сокращения выхода сухого продукта. Увеличение плотности теплового потока (Е > 2,45 кВт/м2) приводит к локальному плавлению и разрушению пенослоя. Температура плавления желатинизированного студня ограничивает нагрев пенослоя и, соответственно, интенсификацию процесса сушки только до определенного значения влажности высушиваемого продукта. Начиная с этого значения влажности пеноструктура в процессе сушки образует прочный каркас, не подвергающийся плавлению, а температура нагрева продукта ограничивается исключительно температурой начала разложения содержащихся в нем термолабильных веществ. Диапазон варьирования скорости потока воздуха v = 4-5 м/с ограничивается техническими возможностями осуществления процесса. Превышение значения 5 м/с нецелесообразно из-за механического разрушения (разрыва штранг пены) и уноса продукта. Снижение скорости до значения менее 4 м/с способствует увеличению температуры пенослоя в процессе конвективно-радиационной сушки более 333 К, что приводит к ухудшению его качественных характеристик, локальному плавлению и разрушению. Пена желатинового бульона с начальной концентрацией сухих веществ С, равной 25-26 %, обладает стабильностью при одновременно действующих конвективном (T = 292-295 К, v = 4-5 м/с, W = 50-60 %) и объемном (двустороннем) радиационном энергоподводе с плотностью теплового потока, падающего с одной стороны штранга, Е = 2,45 кВт/м2, соответствующей температуре пенослоя T = 330-333 К, что исключает какую-либо деструкцию высушиваемого образца как термолабильного продукта. Вспененные образцы продукта с начальной концентрацией сухих веществ С = 14-24 % в силу своих структурно-механических, пеноструктурных и теплофизических характеристик нуждаются в предварительной подсушке в течение 0,03-0,15 ч воздухом с температурой, не превышающей температуру желатинизации. Превышение значения 0,15 ч нецелесообразно, т. к. по достижении указанного периода времени пенослой образует прочный каркас, не подвергающийся плавлению, а дальнейшее увеличение времени подсушивания (t > 0,15 ч) приводит к снижению удельного съема сухого желатина. Уменьшение времени подсушивания (t < 0,03 ч) не обеспечивает стабильность пенослоя и после начала подачи инфракрасного энергоподвода приводит к плавлению стержня пены при его нагреве выше температуры желатинизации. По формуле (1) получены значения целевой функции G, кг/(м2×ч), при различных начальных диаметре штранга пены dн, мм, и влажности вспениваемого бульона wн, кг/кг. Относительная ошибка при определении целевой функции не превышала 12 %. В результате компьютерной обработки экспериментальных данных получены адекватные аппроксимирующие зависимости съема сухого желатина с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени от варьируемых факторов, при этом погрешность аппроксимации R2 полученной зависимости G = f(wн, dн) составила не менее 0,997: Значения эмпирических коэффициентов a1, b1, c1, a2, b2, c2, a3, b3, c3 целевой функции представлены в табл. 2. Таблица 2 Значения эмпирических коэффициентов целевой функции Конвективная пеносушка a1 0,7 a2 -0,945 a3 0,267 b1 -7,7 b2 10,995 b3 -3,547 c1 22,0 c2 -33,820 c3 12,615 Конвективно-радиационная пеносушка при Е = 0,95 кВт/м2 a1 10,8 a2 -16,39 a3 6,086 b1 -85,6 b2 129,85 b3 -48,176 c1 164,0 c2 -251,00 c3 94,422 Конвективно-радиационная пеносушка при Е = 2,45 кВт/м2 a1 31,3 a2 -48,045 a3 18,1765 b1 -250,5 b2 384,465 b3 -145,4185 c1 460,2 c2 -709,810 c3 270,4130 Максимальные значения съема сухого желатина с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени для исследуемых вариантов реализации процесса сушки определены в среде MathCAD с помощью опции Maximize, достигаются при начальной концентрации сухих веществ в продукте С = 0,24 кг/кг, а также температуре T = 292-295 К, влажности W = 50-60 % и скорости сушильного агента v = 4-5 м/c и составляют: - Gmax = 0,331 кг/(м2·ч) - для варианта реализации процесса сушки вспененного желатинового бульона в желатинизированном состоянии в форме штранг круглого сечения с начальным диаметром dн = 3 мм при объемном конвективном энергоподводе; - Gmax = 0,998 кг/(м2·ч) - для варианта реализации процесса сушки вспененного желатинового бульона в желатинизированном состоянии в форме штранг круглого сечения с начальным диаметром dн = 4 мм при объемном конвективно-радиационном энергоподводе с плотностью теплового потока, падающего с одной стороны штранга, Е = 2,45 кВт/м2. Таким образом, введение радиационного энергоподвода в процесс конвективной пеносушки желатинизированного бульона при рациональных режимах способствует трехкратному увеличению удельной производительности процесса. Выводы Проведены исследования кинетики и интенсивности конвективно-радиационной сушки желатинового бульона из отходов переработки рыб во вспененном и желатинизированном состоянии. Для последующего использования в расчетах производительности сушильных установок получены аппроксимирующие зависимости целевой функции (съема сухого желатина с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени) G, кг/(м2·ч), от варьируемых факторов. Определены рациональные режимы проведения процесса, при которых достигается максимальный удельный съем сухого продукта: начальная концентрация сухих веществ в продукте С = 0,24 кг/кг, температура T = 292-295 К, влажность W = 50-60 %, скорость сушильного агента v = 4-5 м/c, начальный диаметр штранга пены dн = 4 мм, плотность теплового потока, падающего с одной стороны штранга, Е = 2,45 кВт/м2. В результате исследований установлено, что введение радиационного энергоподвода в процесс конвективной пеносушки желатинизированного бульона при рациональных режимах практически в три раза увеличивает удельную производительность процесса.
1. Rogov I. A., Zabashta A. G., Kazyulin G. P. Tehnologiya myasa i myasnyh produktov: ucheb.: v 2 kn. Kn. 2: Tehnologiya myasnyh produktov. M.: Kolos S, 2009. 711 s.
2. Kecelashvili D. V. Tehnologiya myasa i myasnyh produktov: ucheb. posobie. Kemerovo: Kemer. tehnol. in-t pisch. prom-sti, 2004. Ch. 3. 115 s.
3. Tehnologiya proizvodstva zhelatina. URL: http://gelatin.by/partners/technology (data obrascheniya: 30.08.2018).
4. Kao Thi Hue. Obosnovanie i razrabotka tehnologii polucheniya strukturoobrazovatelya iz kozhi ryb: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Astrahan', 2012. 24 s.
5. Koen Egberts. Gelatin Drying Technology (Gelatin Dryer). URL: http://gelatin.nl/home (data obrascheniya: 30.08.2018).
6. Aleksanyan I. Yu., Buynov A. A. Vysokointensivnaya sushka pischevyh produktov. Penosushka. Teoriya. Praktika. Modelirovanie: monogr. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2004. 380 s.
7. Tihomirov V. K. Peny. Teoriya i praktika ih polucheniya i razrusheniya. M.: Vyssh. shk., 1985. 544 s.
8. Aleksanyan I. Y., Dyachenko E. P., Ermolaev V. V. Analysis of the Kinetics of Sulfonol Dehydration // Russ. J. Appl. Chem. 2009. N. 82. P. 1729. URL: https://link.springer.com/ content/pdf/ 10.1134% 2FS10704272 100 (data obrascheniya: 30.08.2018).
9. Dyachenko M. M., Boeva N. P., Dyachenko E. P. Tehnologiya kormovoy muki iz myasokostnyh tkaney tyuleney // Tr. VNIRO. 2017. T. 166. S. 159-178.
10. Kao Thi Hue, Razumovskaya R. G. Razrabotka optimal'nyh rezhimov ekstrakcii kollagena iz othodov pererabotki ryb Volgo-Kaspiyskogo basseyna // Izv. vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2011. № 1. S. 33-36.
11. Kao Thi Hue, Nguen Thi Min' Hang, Nguen Van Hung, Kurchenko V. P., Rizevskiy S. V., Golovach T. N., Razumovskaya R. G., Chubarova A. S. Nekotorye aspekty tehnologii polucheniya zhelatina iz kollagensoderzhaschih vtorichnyh rybnyh resursov: obzor // Tr. Baykal. gos. un-ta. 2014. T. 9. Ch. 1. S. 23-32.
12. Nugmanov A. H-H., Nikulina M. A., Aleksanyan I. Yu., Aleksanyan A. I. Issledovanie fiziko-himi-cheskih harakteristik biopolimernogo gelya kak ob'ekta sushki // Sovremennaya nauka i innovacii. 2018. № 1 (21). S. 79-87.
13. Pat. 2487152 Ros. Federaciya, MPK C09H 1/04, C09H 3/00, A23J 1/10. Sposob proizvodstva zhelatina / Kao Thi Hue, Dyachenko E. P.; zayavl. 12.07.2011; opubl. 10.07.2013, Byul. № 2.
