Установка для выпаривания жидкого сельхозсырья в вакууме по непрерывному циклу

А.А. Емельянов, К.А. Емельянов
Государственный университет – УНПК, г. Орел

Малогабаритная установка для выпаривания жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме предложена в [1]. Установка, включающая испаритель, конденсатор, сборник конденсата и вакуумный насос, была использована для получения концентратов и природной воды плодово-ягодных соков прямого отжима. Исследование физико-химического состава концентратов сока прямого отжима черной смородины [2] и крыжовника [3], полученных с помощью малогабаритной установки, показало высокую биологическую активность и возможность их использования для разработки продуктов функционального назначения. Исследование состава концентратов сока прямого отжима, природной воды и сухих выжимок красной смородины [4] и мякоти тыквы [5] позволило предложить технологию глубокой ресурсосберегающей переработки плодово-ягодного сырья [6, 7]. Переработка основана на фракционировании сырья при пониженных температурах и состоит из нескольких стадий.

На первой стадии выделения биологически активных ингредиентов плоды или ягоды после предварительной подготовки отжимают с получением сока и выжимок мякоти, содержащих основную массу пищевых волокон исходного сырья.

Концентрирование сока в вакууме, осуществляемое при температурах до 50 ○С, позволяет повысить содержание биологически активных веществ в концентрате за счет удаления из него влаги и является второй стадией получения биологически активных ингредиентов, когда сок прямого отжима разделяют на концентрат и природную воду. Вакуумное выпаривание высокоэффективно при обезвоживании жидких продуктов высокой влажности и не требует значительных энергозатрат. Однако полученный после вакуумного выпаривания концентрированный сок обладает высокой влажностью (~ 70 %) и требует досушивания с целью обеспечения сохранности во время длительного хранения при комнатной температуре.

Выпаренную влагу собирают в вакууме. В выпарной установке влага накапливается в виде дистиллята сока прямого отжима. Вакуумное выпаривание позволяет природной воде сохранять весь спектр биологически активных веществ исходного сырья. Природная влага плодово-ягодного сырья является биологически активным ингредиентом, который может быть использован в качестве функциональной питьевой воды или основы для разработки и приготовления новых функциональных напитков.

Концентрат сока и выжимки мякоти сушат на воздухе до требуемого уровня влажности. По сравнению с вакуумной сушкой сушка на воздухе позволяет получать обезвоженный продукт высокого качества при меньших затратах. Концентрат сока сушат до влажности 30-55 %, позволяющей, с одной стороны, уберечь продукт от образования плесневых грибов во время длительного хранения в обычных условиях при комнатной температуре, а с другой, максимально сохранить содержащуюся в нем природную влагу. Выжимки мякоти сушат до влажности 6-12 %, обеспечивающей не только высокую сохранность продукта при длительном хранении в обычных условиях при комнатной температуре, но и последующее размельчение в порошок.

Концентрирование сока прямого отжима, сушка концентрата и выжимок при температурах до 50 ○С минимизируют потери пищевой и биологической ценности плодово-ягодного сырья в процессе переработки и позволяют получать три биологически активных ингредиента, которые могут быть использованы при разработке новых продуктов детского, диетического и специального питания:
- концентрат сока прямого отжима, содержащий основную массу растворимых сухих веществ;
- природную воду богатую витаминами и минеральными веществами;
- сухие выжимки мякоти, содержащие основную массу пищевых волокон исходного сырья.

Основой технологии глубокой ресурсосберегающей переработки плодово-ягодного сырья и получения биологически активных ингредиентов является выпаривание соков прямого отжима в вакууме. Однако выпаривание, реализуемое с помощью вакуумной выпарной установки [1], происходит в режиме разовой загрузки, что существенно ограничивает его производительность.

С целью повышения производительности разработан макет установки, реализующей непрерывный цикл выпаривания жидкого сельхозсырья в вакууме.
Блок-схема вакуумной выпарной установки приведена на рис. 1.

Установка включает испаритель 1, паропровод 2, горизонтальный 3 и вертикальный 4 конденсаторы, основной 5 и дополнительный 6 сборники конденсата, емкость 7 с перерабатываемым жидким сельхозсырьем, загрузочную 8 и приемную 9 емкости, вакуумные насосы 10-12. Загрузочная емкость подсоединена к емкости с сырьем через вентиль 13, к насосу 10 через вентиль 14, к испарителю через вентили для сырья 15 и паровоздушной смеси 16 и оснащена трубчатыми электронагревателями 17. Испаритель, оснащенный брызгоуловителем 18, терморегулятором 19 и электронагревателями 20, подключен через вакуумный прямоточный клапан 21 к приемной емкости. Приемная емкость оснащена люком 22 для выгрузки концентрированного сока и вентилями 23 для подключения к вакуумному насосу 10 и напуска воздуха 24. Основной сборник конденсата подключен к вертикальному конденсатору 4 через вентиль 25 трубопроводом 26, к дополнительному сборнику через вентиль 27 и к насосу 12. Дополнительный сборник соединен с насосом 11 через вентиль 28 и оснащен вентилями для напуска воздуха 29 и выгрузки природной воды 30.

Установка опробована при выпаривании яблочного сока. С помощью вакуумных наосов понижали давление в выпарном устройстве. Используя пониженное давление, из емкости с соком в испаритель закачано 10 л яблочного сока. После загрузки испаритель отсечен от загрузочной емкости вентилем 15 и 10 л сока закачано в загрузочную емкость. После загрузки емкость 8 отсечена от емкости с соком вентилем 13. По истечении 54 минут откачки в выпарном устройстве достигнуто рабочее давление 10 Па и включен нагрев испарителя.

После перехода сока 31 в режим кипения загрузочная емкость отсечена от насоса 10 вентилем 14 для защиты насоса от проникновения в него пара. Поступление конденсата, представляющего собой природную воду яблок, через основной сборник в дополнительный  началось после 48 минут нагрева. В ходе выпаривания температура сока в испарителе составляла в среднем 46 °C, давление в приемной емкости и в сборниках природной воды снизилось до 6 Па. В установившемся режиме вода поступала в сборник со скоростью 11 л/час. За 20 минут до окончания цикла выпаривания включен подогрев сока в загрузочной емкости, температура которого к окончанию цикла достигла 46 °C. Перед завершением цикла, когда скорость поступления воды упала на порядок величины до 1 л/час, отключен нагрев испарителя. О завершении цикла судили по снижению скорости выпаривания до прекращения поступления воды в сборник. Выпаривание заняло 65 минут. Время первого цикла с начала откачки до прекращения конденсации составило 2 часа 47 минут, при этом подготовительные операции, связанные с откачкой выпарного устройства и прогревом сырья, заняли 1 час 42 минуты или 61 % от общего времени цикла.

По окончанию цикла испаритель отсечен от системы вакуумной откачки вентилем 25, после открытия прямоточного вакуумного клапана концентрированный сок под совместным действием силы тяжести и перепада давлений выгружен из испарителя в приемную емкость. После выгрузки приемная емкость отсечена от испарителя клапаном и от насоса 10 вентилем 23 и испаритель подсоединен к системе вакуумной откачки вентилем 25. Сок прямого отжима в количестве 10 л, подогретый в загрузочной емкости до 46 °C, через вентиль 15 загружен в испаритель и загрузочная емкость отсечена от испарителя вентилями 15 и 16. Время разгрузки и загрузки испарителя в вакууме составило 2 минуты. Дополнительный сборник отсечен от основного сборника и насоса 11 вентилями 27 и 28, после чего включен нагрев испарителя и осуществлен следующий цикл выпаривания.

В ходе цикла через вентили 24 и 29 осуществлен напуск воздуха в приемную емкость и дополнительный сборник. По достижению атмосферного давления из приемной емкости через люк выгружено 2 кг концентрированного сока, а из дополнительного сборника через вентиль 30 – природная вода в количестве 7,7 л. После выгрузки насосами 10 и 11 давление в приемной емкости и дополнительном сборнике уменьшено до рабочего давления в системе. Дополнительный сборник через вентиль 27 подсоединен к основному сборнику и природная вода, накопленная в основном сборнике, слита в дополнительный, при этом в ходе цикла ее сбор продолжался в дополнительный сборник. Следующая партия сока прямого отжима в количестве 10 л закачана из емкости 7 в загрузочную емкость. После закачки загрузочная емкость отсечена от емкости с соком и давление в загрузочной емкости уменьшено насосом 10 до рабочего давления в испарителе. По достижению рабочего давления загрузочная емкость отсечена от насоса 10 и вентилем 16 давление в ней выровнено с давлением в испарителе. За 20 минут до окончания цикла сок в загрузочной емкости подогрет до температуры 46 °C, соответствующей рабочей температуре сока в испарителе.
По окончанию цикла, продолжавшегося 65 минут, осуществлен следующий цикл. Исключение из цикла подготовительных работ, связанных с напуском воздуха, откачкой испарителя и сборника природной воды и нагревом сока до температуры кипения при рабочем давлении испарителя, сократило продолжительность цикла в 2,5 раза с 2 часов 47 минут до 67 минут.

Таким образом, разработан и испытан макет установки, реализующей непрерывный цикл выпаривания жидкого сельхозсырья в вакууме. Показано, что установка позволяет осуществлять в ходе цикла подготовительные работы, связанные с напуском воздуха и откачкой испарителя и сборника природной воды при загрузке сырья и выгрузке продуктов переработки, а так же с нагревом сырья до температуры кипения при рабочем давлении испарителя. Исключение из цикла подготовительных работ сократило продолжительность цикла в 2,5 раза с 2 часов 47 минут до 67 минут.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственный контракт от 01.10.2010 г. № 14.740.11.0513).

ЛИТЕРАТУРА
1.    Емельянов А.А., Золотарев А.Г., Емельянов К.А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме // Пищевая промышленность, 2007. № 12. С. 52.
2.    Емельянов А.А., Емельянов Д.А., Шалимова О.А. Сухой сок из черной смородины // Пищевая промышленность. 2008. № 7. С. 16-18.
3.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Шалимова О.А., Гагарина А.Ю. Сухой сок из крыжовника // Пиво и напитки. 2009. № 3. С. 22-23.
4.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Шалимова О.А., Гагарина А.Ю. Сухой сок из красной смородины // Пиво и напитки. 2008. № 5. С. 44-45.
5.    Емельянов А.А., Кузнецова Е.А. Составляющие мякоти тыквы // Пиво и напитки. 2009. № 4. С. 40-43.
6.    Емельянов А.А. Ресурсосберегающая переработка плодово-ягодного сырья при пониженных температурах // Пищевая промышленность. 2009. № 7. С. 28-29.
7.    Патент РФ № 2413436. Способ комплексной переработки плодово-ягодного сырья /А.А. Емельянов. 2011. Бюл. № 7.

Статья опубликована в журнале "Хранение и переработка сельхозсырья", 2011, N10, C. 75-77