Конспект лекций для студентов направления подготовки 15. 04. 02 Технологические машины и оборудование

• Название: Конспект лекций для студентов направления подготовки 15. 04. 02 Технологические машины и оборудование
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 1.61 Mb.
• Имя файла: 4663.pdf
• Тип: Конспект лекций; #1055134
• страница: 9 из 11

Вопросы для самоконтроля по теме 8:
1.
Перечислите термические и теплофизические методы обработки продуктов.
2.
Какие химические методы обработки продуктов Вам известны?
3.
В чем сущность обработки продуктов химическими методами?
4.
Каким образом используются биохимические методы для обработки и хранения продуктов?
5.
Как производится обработка продуктов микробиологическими методами?
6.
Объясните суть процесса гниения.
7.
Что такое симбиотики?
8.
Что необходимо для быстрого развития гнилостных микроорганизмов?
9.
Какие микроорганизмы способны разрушать белковую молекулу?
10. Назовите продукты разложения нуклеопротеидов.
11. Перечислите характерные продукты гниения мяса.
12. Для чего используют холод или химические консервирующие средства?
13. Что такое прогоркание и осаливание?
14. Как возникает процесс затвердевания мясопродуктов?
15. Что такое пищевое отравление и пищевая инфекция?
16. Что называют пищевыми токсикоинфекциями?
17. Назовите методы сохранения пищевых продуктов по классификации, предложенной Я.Я. Никитинским?
18. На каких принципах основаны методы хранения Я.Я. Никитинского?
19. Что такое стериализация пищевых продуктов, чем она отличается от консервирования?
Рекомендованная литература: [1, 2, 3, 4, 8].

75
9 УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ
Значительную группу технологических процессов можно интенсифицировать на базе акустических методов с использованием ультразвуковых и звуковых колебаний. Наиболее полно исследованы возможности использования в технологических процессах пищевых производств ультразвука и низкочастотных (инфразвуковых) колебаний.
Акустические колебания делятся на следующие области:
 инфразвуковая 0 20 Гц;
 звуковая 20 2 10 4
Гц;
 ультразвуковая 2 10 4
10 8
Гц;
 гиперзвуковая > 10 8
Гц.
Передача звука - волновой процесс, причем скорость распространения (С, м/с) зависит от частоты:
С = f ,
(9.1) где - длина волны, м; f - частота, Гц.
Скорость также зависит от химического строения вещества. При переходе звуковой волны из одной среды в другую часть энергии волны отражается.
Количество энергии в отраженной ударной волне зависит от свойств разных сред. Основным свойством, определяющим характер отражения, является
волновое сопротивление среды, представляющее собой произведение скорости звука (С, м/с) в данной среде на плотность ( , г/см
3
). Чем меньше разность волнового сопротивления, тем больше энергии передается из одной среды в другую.
При нормальном движении волны к границе раздела сред количество энергии (Е) в отраженной волне без учета потерь определяют по формуле:
,
C
C
C
C
E
E
2 2
2 1
1 2
2 1
1 0
(9.2) где Е
0
- падающая энергия волны;
0
E
E
- коэффициент отражения.
Распространение ультразвуковых волн в среде сопровождается потерями на рассеивание, которые внешне проявляются в повышении температуры среды. При этом действие ультразвука избирательное. Неоднородность в строении мышечных волокон ведет к различному поглощению звука отдельными элементами. Поглощение ультразвуковых волн происходит в результате теплопроводности и внутреннего трения (вязкости) и зависит от частоты, скорости звука и других факторов.
В практике приходится отделять источник ультразвука от облучаемого материала. С этой целью изготавливают различные мембраны. Эффективность

76 пропускания звуковых волн зависит не только от толщины, но и от свойств материала мембраны.
Поэтому часто пользуются коэффициентом m, представляющим собой отношение акустических сопротивлений мембраны и окружающей среды. При приближении m к единице пропускание ультразвуковых волн увеличивается.
При прохождении ультразвуковых волн через границу раздела двух сред под углом
1
возникает преломление волн, причем угол преломления
2
находится из формулы:
C
C
sin sin
2 1
2 1
(9.3)
Распространение ультразвуковых волн в среде сопровождается потерями на рассеивание, которое внешне проявляется в повышении температуры среды.
Коэффициент поглощения зависит от частоты ультразвукового поля, он линейно возрастает с увеличением частоты независимо от вида ткани.
В качестве источников ультразвуковых колебаний используют аэродинамические, механические, гидродинамические, электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели. Выбор источника зависит как от мощности технологических, конструкционных и других показателей, так и от желательной частоты процесса. Минимальными частотами обладают механические, электромагнитные и электродинамические преобразователи. Наибольшую частоту удается достичь при использовании пьезоэлектрических источников (больше 10 6
Гц).
В пищевой промышленности получили распространение гидродинамические преобразователи, принцип действия которых заключается в том, что движущаяся под давлением струя жидкости, попадая на острый край необтекаемого препятствия, создает около него завихрения. При этом возникает чередование перепадов давления, имеющих характер звуковых волн.
Для получения высоких частот и ультразвука максимальной интенсивности используют пьезоэлектрические преобразователи. Прямой пьезоэффект - это возникновение зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии. Обратным пьезоэффектом, или механическими колебаниями кристалла, под действием переменного электрического поля, пользуются для получения ультразвуковых колебаний.
Пьезоэлектрическим эффектом обладают естественные и искусственные кристаллы: кварц, сегнетова соль, турмалин и др. Пьезоэлектрические излучатели имеют КПД 40-50 %.
При определенных условиях в поле ультразвукового излучения возникает явление, которое называется кавитацией – разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных паром и газами, содержащимися в жидкости.
При захлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия являются причиной разрушительного действия ультразвука (УЗ).

77
Большое влияние на возникновение и течение кавитации оказывает вязкость жидкостей. С увеличением вязкости условия возникновения кавитации затрудняются.
Значительную роль в возникновении и развитии кавитации играют зародышевые центры, представляющие собой микропузырьки газов и паров, а также мельчайшие взвеси неоднородных включений в жидкости.
Для обычного процесса кавитации локальное давление может достигать
450 МПа. В условиях резонанса возникает давление, которое может превышать гидростатическое в 150 000 раз и сопровождается повышением температуры при захлопывании пузырьков, достигающей 2000 К.
Пищевые продукты представляют собой неоднородные гетерогенные среды, в силу чего воздействие УЗ на них будет чрезвычайно многообразным.
Под действием звуковых колебаний коллагенные волокна мышечной ткани мяса разрушаются, мясо становится нежным и мягким. Для этого предварительно замороженное мясо помещают в рассол, где генерируются УЗ- колебания. Возможен также непосредственный контакт мяса с источником УЗ.
УЗ-обработка шкур при тузлуковании сокращает процесс в 2-3 раза, при этом резко улучшаются санитарно-гигиенические условия, наблюдается очистка поверхности шкур от микроорганизмов.
Под действием УЗ происходит гемолиз крови, при чем оптимальная частота составляет 100 кГц. УЗ ускоряет диффузионные процессы, резко ускоряет посол мяса, при этом наблюдается частотная зависимость процесса обработки с максимумом на 750 кГц.
Диспергирующая и эмульгирующая способность УЗ весьма ценна для пищевой технологии, так как, используя это явление, удается получать различные гомогенизаторы и стойкие эмульсии.
В мясной промышленности этот метод используют при получении жировых эмульсий, предназначенных для колбасного производства. Если добавить жировую эмульсию в фарш сосисок и сарделек, то повышается его влагоудерживающая способность и обеспечивается более строгое соотношение составляющих компонентов (белок, жир, вода). Кроме того, применение жировых эмульсий позволяет перерабатывать на колбасные изделия размороженное мясо без предварительной выдержки его в посоле.
При оценке действия УЗ на пищевые продукты необходимо учитывать и его химическое воздействие. Так, под воздействием кавитации в водных средах может образовываться перекись водорода, которая при распаде выделяет атомарный кислород. При воздействии с жирами кислород ухудшает их свойства.
Колебательные возмущения среды ускоряют процесс тепло- и массообмена. Механизм воздействия акустических колебаний в обоих процессах аналогичен. В основном он сводится к воздействию на ламинарно движущуюся жидкость и на пограничный слой при турбулентном движении.
Под действием колебаний ламинарный поток деформируется - происходит его турбулизация, что приводит к усилению теплообмена.

78
Следует учитывать, что не всегда вибрации улучшают теплообмен; так, в случае кипения жидкости принудительные колебания ухудшают процесс теплоотдачи.
Процесс массообмена под действием вынужденных колебаний ускоряется в результате:
 перемешивания взаимодействующих фаз;
 образования циркуляционных токов внутри каждой фазы;
 устранения застойных зон вблизи поверхности фазового контакта.
Важным является использование УЗ колебаний в процессе сушки.
Использование УЗ позволяет вести сушку при температурах значительно ниже тех, которые допустимы при более высокой скорости сушки.
Бактерицидное действие ультразвука зависит от интенсивности звука и кавитации. При высокой интенсивности звука распад бактериальной клетки происходит чрезвычайно быстро (1/200 секунд).
Под действием ультразвука быстро погибают грамположительные и грамотрицательные анаэробные и аэробные, патогенные и непатогенные бактерии. Весьма чувствительны к ультразвуку палочковидные, кокковые, лучистые грибки и другие микроорганизмы.
Бактерицидный эффект ультразвука проявляется тем сильнее, чем меньше концентрация микроорганизмов.
На диспергирующей (образование однородной устойчивой системы
«жидкость - твердое тело») и эмульгирующей («жидкость - жидкость») способности ультразвука основана работа ряда гомогенезаторов. С помощью ультразвука удается получать эмульсии с размером частиц 1 мкм.
В мясной промышленности этот метод используют при получении жировых эмульсий, предназначенных для колбасного производства. Если добавить жировую эмульсию в фарш сосисек и сарделек, то повышается его влагоудерживающая способность (ВУС) и обеспечивается более строгое соотношение составляющих компонентов (белок : вода : жир). Кроме того, применение жировых эмульсий позволяет перерабатывать на колбасные изделия размороженное мясо без предварительной выдержки его в посоле.
Вопросы для самоконтроля по теме 9:
1. На какие диапазоны делятся Акустические колебания?
2. От чего зависит скорость процесса ультразвуковой обработки продукта, каково влияние химического строения вещества?
3. Как используют ультразвук для интенсификации технологических процессов?
4. Как проявляется диспергирующее и эмульгирующее действие ультразвука?
5. Как влияет ультразвук на прохождение процессов тепло- и массообмена?
6. В результате чего ускоряется процесс массообмена?
7. Что называется кавитацией?
Рекомендованная литература: [2, 3, 5, 7, 9, 10].

79
10 ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Импульсный подвод энергии к продукту вызывает не только количественные, но и качественные изменения процессов, что особенно специфично для электрофизических методов. Большой интерес представляет возможность аккумулирования во времени энергии, а затем ее выделение в чрезвычайно малые промежутки времени, что позволяет, достигая высоких значений мгновенной мощности, создавать принципиально новые технологические процессы.
В качестве источников импульсных нагрузок можно использовать различные системы: механические, гидравлические, электроимпульсные, магнитно-импульсные, оптические и др. Электроимпульсные и магнитно- импульсные системы в качестве источника энергии базируются в основном на генераторе импульсов тока (ГИТ), принципиальная разница заключается лишь в преобразователе электрической энергии в механическую; в первом случае этим преобразователем является электродная система, помещенная в жидкость, во втором - система, состоящая из индуктора и электропроводящей пластины
(мембраны), причем последняя так же может находиться в жидкости.
Для формирования электрических импульсов используется ряд элементов, составляющих импульсный генератор: высоковольтный трансформатор, выпрямитель, батареи конденсаторов, разрядник и коммутатор и, в случае электроимпульсного метода, искровой промежуток, а для магнитно- импульсного индуктора - электропроводная пластина-мембрана, помещенная в жидкости внутри технологического узла.
Электроимпульсный метод основан на импульсном электрическом пробое жидкости при разряде конденсатора. В силу очень быстрого выделения энергии в искровом канале происходит его быстрое расширение. А в результате малой сжимаемости воды при импульсном разряде в жидкости возникает ряд эффектов: высокие импульсные давления, достигающие десятков тысяч атмосфер; пульсации газового пузыря; ударные волны; линейные перемещения жидкости со скоростями, достигающими сотен метров в секунду; импульсная кавитация в значительном объеме жидкости; полидисперсное ультразвуковое излучение; воздействие плазмы канала искры, сопровождающееся инфракрасным, ультрафиолетовым и жестким излучением; импульсные электромагнитные поля, сопровождающие разряд.
Один импульсный разряд вызывает (по крайней мере) два гидравлических удара: первый - в момент образования полости, второй - при ее захлопывании. При определяющих условиях (высота столба жидкости, давление, размер полости и др.) газовая полость совершает несколько пульсаций, что является логическим следствием разрыва сплошности жидкости и адиабатического ее сжатия.
Компоновка простейшего электроимпульсного аппарата проста (рисунок
10.1, а): он состоит из корпуса с крышкой и двух электродов. В ряде случаев, по

80 технологическим соображениям, целесообразно отделение зоны обработки от зоны искры с целью исключения действия отдельных факторов импульсного разряда (рис. 10.1, б). Пропускание пластинами ударных волн связано обратно пропорционально с массой мембраны. Наиболее целесообразно изготовлять пластины из легких материалов, например алюминиевые сплавы, с учетом их прочностных характеристик. При прочих равных условиях большое значение имеет форма пластины, жесткость, характер ее закрепления по периметру, ориентация относительно источника возмущения и среды, в которую передается энергия.
а)
б)
в)
Рисунок 10.1 – Принципиальные схемы импульсных аппаратов: а) электроимпульсный: 1 - корпус; 2 - электроды; б) мембранный электроимпульсный: 1 - корпус; 2 - электроды; 3 - мембрана; в) магнитно-импульсный: 1 - корпус; 2 - индуктор; 3 – мембрана
К электроимпульснымаппаратам можно предъявить ряд общих требований. Конструкция аппарата должна обеспечивать высокую прочность, противостоящую импульсным нагрузкам (это в равной мере относится и к мембране для мембранных аппаратов). Материал аппарата должен быть химически инертен с учетом санитарных требований конструкция аппарата должна обеспечивать возможность быстрой и полной его разборки. Система крепления электродов должна обеспечивать возможность быстрого и фиксированного варьирования расстояния между ними (предпочтительной является система крепления, при которой основная часть ударных нагрузок воспринимается металлическим стержнем электрода).
Конструкция высоковольтного ввода должна обеспечивать высокую электро- безопасность: площадь контакта открытой поверхности электрода с жидкостью должна быть минимальной; изоляция электрода должна быть электрически и механически прочной; система транспортировки продукта должна быть электрически безопасной; система подвески и амортизации должна обеспечивать гашение вибраций в минимальное время; системы приборов контроля должны обладать достаточной вибростойкостью и быть надежно электрически экранированы.
Приведенный перечень, естественно, не исчерпывает возможные дополнительные требования, возникающие в процессе исследования и разработки электроимпульсной аппаратуры.

81
Одним из наиболее сложных узлов в электроимпульсной аппаратуре является система, образуемая положительным и отрицательным электродами.
Конструкция электродов является определяющей для характера развития искрового канала, и с этой точки зрения она - важнейшая для всего технологического аппарата. Возможные схемы расположения электродов приведены на рисунок 10.2.
Рисунок 10.2 – Схемы расположения электродов:
а - противопоставленные; б - параллельные; в - коаксиальные; г – секционные
Использование импульсных методов не ограничивается электро- и магнитно-импульсными. Наряду с ними определенное место занимают низкочастотные вибрации, а также весьма перспективная пульсационная техника. Пульсационные методы при минимальных затратах обеспечивают довольно значительную интенсификацию процессов перемешивания, гомоге- низации, экстракции, посола и др. Интенсификация межфазового взаимодействия компонентов при наложении пульсаций происходит в результате дополнительного межфазного трения и турбулизации потоков фаз.
Частота следования возвратно-поступательных движений среды колеблется в пределах 20-300 колебаний в минуту.
Пульсаторы могут быть самых разнообразных типов. Наиболее известны поршневые, мембранные и сильфонные, генерирующие колебательное движение в колоннах или других экстракторах непосредственным воздействием на рабочую жидкость. На рисунке 10.3 представлена схема пульсационной пневматической установки.
Применение виброобработки как способа повышения влагоудерживаюшей способности колбасного фарша, изготовленного из сырья с низким значением рН, обусловлено тем, что использование низкочастотной вибрации в сочетании с механическим перемешиванием позволяет изменять физико-химические и физико-механические свойства веществ, имеющих коллоидную структуру, в частности, колбасного фарша.

82
Вибрационные колебания способствуют диспергированию частиц, в результате повышения степени дисперсности усиливается диффузия, значительно возрастает поглощение системой воды, за счет этого увеличивается количество осмотически связанной влаги.
Рисунок 10.3 – Схема пульсационной пневматической установки:
1 - ресивер; 2 - электродвигатель; 3 - пульсатор; 4 - пульсационная магистраль;
5 - аппарат; 6 - пульсационное устройство; 7 - пульсационная камера
Выход продуктов, изготовленных с применением вибрации фарша, на 0,9-
2,1 % выше, чем продуктов, изготовленных из аналогичного экссудативного сырья. Наиболее сильное влияние виброобработка оказывает на образцы колбас, изготовленные из говядины второго сорта.
В этом случае выход колбасы, получаемой с применением виброобработки сырья с низкой величиной рН, превышает на 1,3 % выход колбасы, изготовленной из сырья с нормальной величиной рН без виброобработки.
Виброобработка оказывает влияние на цвет и консистенцию колбас.
Образцы, изготовленные с применением вибрации, имеют более яркий цвет и плотную консистенцию, что подтверждается и данными по определению напряжения среза.
Гистологические исследования показали, что структура фарша, изготовленного из мяса с нормальной величиной рН, характеризуется компактностью составных частей и мелкозернистой белковой массой.
Поскольку разрушенные белковые частицы фарша этой группы имеют необходимое количество свободных связей, обеспечивается агрегирование их друг с другом и связывание достаточного количества добавленной в фарш влаги.

83