Екстрагування кави в мікрохвильовому апараті безперервної дії
Вантажиться...
Дата
2017
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
ОНАХТ
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв.
У роботі представлено апарат, що дозволяє отримати концентрат кавового екстракту при атмосферному тиску і температурах не вище 100 ° С, що позитивно впливає на якість продукту. В апараті реалізовані протитечійний рух твердої фази та екстрагента. Обґрунтовано структуру рівняння в узагальнених змінних для протитечійного руху твердої фази й екстрагенту в мікрохвильовому полі. Досліджено гідравлічні процеси у масообмінних модулях апарату. Порівняння екстрагування традиційним тепловим способом і в мікрохвильовому полі, підтверджує, що при дії останнього підвищується загальний вихід екстрактивних речовин. Узагальнення експериментальних досліджень масообміну дозволило визначити ступеня в критеріа-
льному рівнянні для числа Рейнольдса -0,86, числа Шмідта 0,43, Бурдо 0,35, безрозмірною проникності 0,42, еквівалентного діаметра частинок кави 1,2. Складено інженерні методики розрахунку апарату. Комп'ютерне моделювання дозволило провести оптимізацію конструктивних і режимних параметрів. При виробничих випробуваннях апарату отримано концентрат кавового екстракту. Згідно з актами дегустації, отриманий продукт має високу якість, смакоароматичні властивості, що перевершують звичайний розчинну каву. У відпрацьованій твердій фазі залишається не більше 0,65 % екстрактивних речовин. Також проведено екстрагування кави в умовах дії мікрохвильового поля в камері з розрідженням. Для додаткового підвищення
концентрації екстракту кави використано метод блочного виморожування.
Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – Процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. В работе представлен аппарат, позволяющий получать инновационный продукт – жидкий концентрат кофейного экстракта. Аппарат предназначен для водного экстрагирования при атмосферном давлении и температурах не выше 100 °С, что положительно влияет на качество экстракта. В аппарате реализованы противоточное движение твердой фазы и экстрагента, стадии промывки зерен водой, насыщения экстракта и исчерпания целевых компонентов. Массообменные модули выполнены из радиопрозрачного материала и в них реализовано многослойное течение экстрагента через слой продукта. Задачи моделирования гидродинамических и массообменных процессов в условиях противотока твердой фазы и экстрагента при воздействии микроволнового поля, не могут быть решены аналитически, ввиду неопределенности всех компонентов массового потока целевых компонентов. Методами теории подобия и анализа размерностей обоснована структура уравнения в обобщенных переменных для процесса экстрагирования из измельченных зерен кофе в условиях противоточного движения твердой фазы и экстрагента при воздействии микроволнового поля. Для данного случая число Стантона массообменного выражается в зависимости от чисел Рейнольдса, Шмидта, Бурдо, безразмерной проницаемости и эквивалентного диаметра частиц измельченного кофе. Суммарный массовый поток состоит из диффузионного потока из зерен, конвективного диффузионного потока от их поверхности и бародиффузионного потока, возникающего при воздействии микроволнового поля. Разделение составляющих потока затруднено. Для оценки эффективности экстрагирования предложено использовать коэффициент массоотдачи. Экспериментально изучены гидравлические процессы в массообменных модулях микроволнового аппарата непрерывного действия. Определены режимы течения при изменении расхода экстрагента и эквивалентного диаметра частиц измельченного кофе. Установлено, что при использовании мелко размолотого кофе (менее 1 мм) имеют место процессы псевдоожижения. Рассчитаны значения чисел Рейнольдса и Эйлера для гидравлических процессов в микроволновом аппарате непрерывного действия. Результаты обобщены в виде математической модели гидравлических процессов. При исследовании массообменных процессов определены условия фазовых равновесий в системе «измельченные кофейные зерна – вода». Установлено максимальное содержание растворимых экстрактивных веществ в кофейных зернах высшего сорта Арабика при воздействии микроволнового поля. Проведено сравнение процессов экстрагирования традиционным тепловым способом и при воздействии микроволнового поля, подтверждено, что при действии последнего значительно повышается общий выход экстрактивных веществ. Интенсификация процесса экстрагирования в микроволновом поле связанна с явлением бародиффузии, впервые описанным проф. Бурдо О.Г., что подтверждают результаты проведенных экспериментов. В статических условиях определено влияние гидромодуля. В условиях непрерывного движения экстрагента через слой продукта установлены кинетические зависимости влияния интенсивности воздействия микроволнового поля, расхода экстрагента, толщины слоя продукта в массообменном модуле, дисперсности твердой фазы. В результате обобщения экспериментальных данных определены показатели степени числа Рейнольдса -0,86, числе Шмидта, Бурдо, безразмерной проницаемости и эквивалентного диаметра частиц кофе.– 0,43, 0,35, 0,42, 1,2. Сравнение расчетного и экспериментального числа Стантона массообменного показывает удовлетворительное согласование, не превышающее 40 %. Составлены инженерные методики расчета микроволнового аппарата непрерывного действия и разработаны режимы для проведения его производственных испытаний. Проведено компьютерное моделирование с использованием прикладного пакета программ EXTRACTOR и MS Excel. Программа EXTRACTOR.1 позволяет определять влияние режимных и конструктивных параметров микроволнового аппарата непрерывного действия на концентрацию экстракта на выходе и удельную мощность. С помощью программы EXTRACTOR.2 возможно проводить оптимизацию экстракторов, выполнять поиск максимума функционала экономической эффективности. По результатам вычислительного эксперимента проведена оптимизация конструктивных и режимных параметров и разработан типоразмерный ряд микроволновых аппаратов непрерывного действия. Программное обеспечение внедрено на предприятиях Енни Фудз и ГАЛКА Лтд. При запуске микроволнового аппарата в режиме противоточного движения экстрагента и твердой фазы проведены исследования влияния загрузки массообменных модулей на концентрацию экстракта на выходе. Производительность аппарата – 16 кг/ч. Получен концентрат кофейного экстракта – жидкий кофе. Экспериментально подтверждено, что возможно получить на выходе концентрат экстракта кофе с содержанием сухих веществ выше 50 %. Исключение энергозатратного этапа сушки экстракта позволит снизить расходы на производство продукта, без снижения его качества. Исследование эффективности использования твердой фазы показало, что в полученном после прохождения по всей высоте экстрактора шламе остается не более 0,65 % экстрактивных веществ по сравнению с 4...5 % при традиционном способе. Согласно актам дегустации, образцов концентрата кофейного экстракта, полученный продукт имеет высокое качество, вкусоароматические свойства, превосходящие обычный растворимый кофе. В рамках дополнительных исследований проведено экстрагирование кофе в условиях действия микроволнового поля в камере с разрежением. В условиях вакуума реализован режим низкотемпературного кипения, экстрагирование произведено при температурах не выше 50 °С. Для дополнительного повышения концентрации экстракта кофе использован метод блочного вымораживания. При обработке экстракта с содержанием сухих веществ близко 8 % получен 32 % - ный концентрат.
Thesis for competition the scientific degree of Ph.D. in technical science specialty 05.18.12 – Processes and equipment for food, microbiological and pharmaceutical industries. The present thesis is dedicated to the research extractor that allows to obtaining a concentrate of coffee extract at atmospheric pressure and temperatures lower than 100 °C, which positively affects for the product quality. The extractor has backflow motion of the solid phase and extragent. The structure of the equation in generalized variables for the backflow motion of the solid phase and the extractant in the microwave field is substantiated. Hydraulic processes in masstransfering modules of the extractor are investigated. Comparison of extraction by traditional heat and in the microwave field, confirms that the action of microwaves increases the total yield of extractives. The generalization of experimental studies of mass transfer enabled the degree in the criterion equation for the Reynolds number -0.86, the Schmidt number 0.43, the Burdo number 0.35, the dimensionless parametrical permeability of 0.42, the equivalent diameter of the coffee particles 1.2 determined. The engineering methods of calculation of the extractor are designed. Computer simulation allowed to design and mode parameters optimization. During production tests, the coffee extract concentrate was obtained. According to the tasting, the product obtained is of high quality, taste-aromatic properties that overcome the usual soluble coffee. In the spent solid phase no more than 0.65 % of extractives remain. Also, extraction of coffee in the conditions of the microwave field in a chamber with a dilution is carried out. The method of block freezing is used to further increase the concentration of coffee extract.
Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – Процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. В работе представлен аппарат, позволяющий получать инновационный продукт – жидкий концентрат кофейного экстракта. Аппарат предназначен для водного экстрагирования при атмосферном давлении и температурах не выше 100 °С, что положительно влияет на качество экстракта. В аппарате реализованы противоточное движение твердой фазы и экстрагента, стадии промывки зерен водой, насыщения экстракта и исчерпания целевых компонентов. Массообменные модули выполнены из радиопрозрачного материала и в них реализовано многослойное течение экстрагента через слой продукта. Задачи моделирования гидродинамических и массообменных процессов в условиях противотока твердой фазы и экстрагента при воздействии микроволнового поля, не могут быть решены аналитически, ввиду неопределенности всех компонентов массового потока целевых компонентов. Методами теории подобия и анализа размерностей обоснована структура уравнения в обобщенных переменных для процесса экстрагирования из измельченных зерен кофе в условиях противоточного движения твердой фазы и экстрагента при воздействии микроволнового поля. Для данного случая число Стантона массообменного выражается в зависимости от чисел Рейнольдса, Шмидта, Бурдо, безразмерной проницаемости и эквивалентного диаметра частиц измельченного кофе. Суммарный массовый поток состоит из диффузионного потока из зерен, конвективного диффузионного потока от их поверхности и бародиффузионного потока, возникающего при воздействии микроволнового поля. Разделение составляющих потока затруднено. Для оценки эффективности экстрагирования предложено использовать коэффициент массоотдачи. Экспериментально изучены гидравлические процессы в массообменных модулях микроволнового аппарата непрерывного действия. Определены режимы течения при изменении расхода экстрагента и эквивалентного диаметра частиц измельченного кофе. Установлено, что при использовании мелко размолотого кофе (менее 1 мм) имеют место процессы псевдоожижения. Рассчитаны значения чисел Рейнольдса и Эйлера для гидравлических процессов в микроволновом аппарате непрерывного действия. Результаты обобщены в виде математической модели гидравлических процессов. При исследовании массообменных процессов определены условия фазовых равновесий в системе «измельченные кофейные зерна – вода». Установлено максимальное содержание растворимых экстрактивных веществ в кофейных зернах высшего сорта Арабика при воздействии микроволнового поля. Проведено сравнение процессов экстрагирования традиционным тепловым способом и при воздействии микроволнового поля, подтверждено, что при действии последнего значительно повышается общий выход экстрактивных веществ. Интенсификация процесса экстрагирования в микроволновом поле связанна с явлением бародиффузии, впервые описанным проф. Бурдо О.Г., что подтверждают результаты проведенных экспериментов. В статических условиях определено влияние гидромодуля. В условиях непрерывного движения экстрагента через слой продукта установлены кинетические зависимости влияния интенсивности воздействия микроволнового поля, расхода экстрагента, толщины слоя продукта в массообменном модуле, дисперсности твердой фазы. В результате обобщения экспериментальных данных определены показатели степени числа Рейнольдса -0,86, числе Шмидта, Бурдо, безразмерной проницаемости и эквивалентного диаметра частиц кофе.– 0,43, 0,35, 0,42, 1,2. Сравнение расчетного и экспериментального числа Стантона массообменного показывает удовлетворительное согласование, не превышающее 40 %. Составлены инженерные методики расчета микроволнового аппарата непрерывного действия и разработаны режимы для проведения его производственных испытаний. Проведено компьютерное моделирование с использованием прикладного пакета программ EXTRACTOR и MS Excel. Программа EXTRACTOR.1 позволяет определять влияние режимных и конструктивных параметров микроволнового аппарата непрерывного действия на концентрацию экстракта на выходе и удельную мощность. С помощью программы EXTRACTOR.2 возможно проводить оптимизацию экстракторов, выполнять поиск максимума функционала экономической эффективности. По результатам вычислительного эксперимента проведена оптимизация конструктивных и режимных параметров и разработан типоразмерный ряд микроволновых аппаратов непрерывного действия. Программное обеспечение внедрено на предприятиях Енни Фудз и ГАЛКА Лтд. При запуске микроволнового аппарата в режиме противоточного движения экстрагента и твердой фазы проведены исследования влияния загрузки массообменных модулей на концентрацию экстракта на выходе. Производительность аппарата – 16 кг/ч. Получен концентрат кофейного экстракта – жидкий кофе. Экспериментально подтверждено, что возможно получить на выходе концентрат экстракта кофе с содержанием сухих веществ выше 50 %. Исключение энергозатратного этапа сушки экстракта позволит снизить расходы на производство продукта, без снижения его качества. Исследование эффективности использования твердой фазы показало, что в полученном после прохождения по всей высоте экстрактора шламе остается не более 0,65 % экстрактивных веществ по сравнению с 4...5 % при традиционном способе. Согласно актам дегустации, образцов концентрата кофейного экстракта, полученный продукт имеет высокое качество, вкусоароматические свойства, превосходящие обычный растворимый кофе. В рамках дополнительных исследований проведено экстрагирование кофе в условиях действия микроволнового поля в камере с разрежением. В условиях вакуума реализован режим низкотемпературного кипения, экстрагирование произведено при температурах не выше 50 °С. Для дополнительного повышения концентрации экстракта кофе использован метод блочного вымораживания. При обработке экстракта с содержанием сухих веществ близко 8 % получен 32 % - ный концентрат.
Thesis for competition the scientific degree of Ph.D. in technical science specialty 05.18.12 – Processes and equipment for food, microbiological and pharmaceutical industries. The present thesis is dedicated to the research extractor that allows to obtaining a concentrate of coffee extract at atmospheric pressure and temperatures lower than 100 °C, which positively affects for the product quality. The extractor has backflow motion of the solid phase and extragent. The structure of the equation in generalized variables for the backflow motion of the solid phase and the extractant in the microwave field is substantiated. Hydraulic processes in masstransfering modules of the extractor are investigated. Comparison of extraction by traditional heat and in the microwave field, confirms that the action of microwaves increases the total yield of extractives. The generalization of experimental studies of mass transfer enabled the degree in the criterion equation for the Reynolds number -0.86, the Schmidt number 0.43, the Burdo number 0.35, the dimensionless parametrical permeability of 0.42, the equivalent diameter of the coffee particles 1.2 determined. The engineering methods of calculation of the extractor are designed. Computer simulation allowed to design and mode parameters optimization. During production tests, the coffee extract concentrate was obtained. According to the tasting, the product obtained is of high quality, taste-aromatic properties that overcome the usual soluble coffee. In the spent solid phase no more than 0.65 % of extractives remain. Also, extraction of coffee in the conditions of the microwave field in a chamber with a dilution is carried out. The method of block freezing is used to further increase the concentration of coffee extract.
Опис
Левтринська, Ю. О.
Екстрагування кави в мікрохвильовому апараті безперервної дії [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.18.12 "Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв" / Левтринська Юлія Олегівна ; наук. кер. С. Г. Терзієв ; Одес. нац. акад. харч. технологій. - Одеса : ОНАХТ, 2017. - 23 с. : табл., рис.
Ключові слова
екстрагування, масообмін, коефіцієнт масовіддачі, мікрохвильове поле, розчинна кава, протитечія, бародифузія, экстрагирование, массообмен, коэффициент массоотдачи, микроволновое поле, растворимый кофе, противоток, бародиффузия, extraction, mass transfer, mass transfer coefficient, microwave field, soluble coffee, backflow, barodiffusion