ЗАМОРАЖИВАНИЕ  ЯГОДЫ  ДИОКСИДОМ  УГЛЕРОДА

Иваненко  Олег  Васильевич

к.  т.  н.,  доцент  КемТИПП,  г.  Кемерово

E-mail:  ivanenkooleg@mail.ru

Диоксид  углерода  наиболее  подходит  для  прямого  контактного  замораживания  различных  видов  продуктов.  Как  контактный  хладагент,  он  привлекателен  дешевизной,  химической  пассивностью  и  термической  стабильностью,  не  коррозирует  металлических  узлов,  не  горюч,  не  опасен  для  персонала.  Жидкая  углекислота  при  атмосферном  давлении  мгновенно  превращается  в  смесь  сухого  снега  и  холодного  углекислого  газа,  при  этом  газовая  смесь  внутри  скороморозильного  аппарата  способна  охладить  продукт  от  +20°С  до  -78,5°С  за  несколько  минут.  Процесс  замораживания  протекает  при  высокой  скорости  без  деформации  в  структуре  продукта.  Продукты,  замораживаемые  с  помощью  диоксида  углерода,  получают  высокую  органолептическую  оценку,  а  потери  массы  из-за  усушки  составляют  0,3%.

При  замораживании  частицы  в  классической  задаче  Стефана  [1,  с.  424]  процесс  фазового  перехода  протекает  при  постоянной  температуре  на  границе  раздела  фаз.  В  этом  случае  практически  все  теплофизические  параметры  (теплопроводность,  теплоемкость,  удельное  сопротивление)  изменяются  скачкообразно.

В  плодах  ягоды  благодаря  ее  пористой  структуре  процесс  протекает  иначе.  Содержание  жидкой  фазы  наблюдается  при  любой  (практически  до  –100°С)  температуре.  По  мере  снижения  температуры  образца  уменьшается  доля  жидкой  фазы  и  увеличивается  доля  твердой,  четкая  граница  раздела  фаз  отсутствует.  В  процессе  замораживания  выделяется  теплота  фазового  перехода.

При  моделировании  процесса  приняты  следующие  допущения:

·     температура  диоксида  углерода  остается  постоянной;

·     плотность  замороженного  продукта  не  зависит  от  температуры;

·     температура  в  любой  точке  частицы  зависит  только  от  текущего  радиуса  и  времени  (симметричная  задача).

Количество  вымороженной  воды  характеризуется  величиной  ω,

,                                                (1)

где  G_л,,  G_н  –  масса  частицы  льда  и  воды,  соответственно,  кг.

которая  может  изменяться  от  0  до  1  по  мере  снижения  температуры  от  t_кр  (t_кр  –  криоскопическая  температура).  Для  определения  ω  рекомендована  следующая  зависимость  [2,  с.  91],

,                  (2)

где  b  –  содержание  прочно  связанной  воды  на  единицу  массы  сухого  вещества,  кг/кг;

W  –  начальное  содержание  влаги  в  продукте;

t_кр  –  криоскопическая  температура,  °С.

Дифференциальное  уравнение  теплопроводности  для  сферической  частицы  имеет  вид

,                 (3)

где  c  –  теплоемкость,  Дж/кг∙К;

ρ  –  плотность,  кг/м³;

λ  –  теплопроводность,  Вт/м∙К.

Теплоемкость  до  начала  замораживания  (t  >  t_кр)  определяется  по  формуле

,                         (4)

где  с_с,  с_в  –  теплоемкости  сухой  массы  и  воды,  соответственно,  Дж/кг∙К.

При  достижении  кроископической  температуры  в  частице  появляется  твердая  фаза,  доля  которой  растет  по  мере  снижения  температуры.

Теплота  фазового  перехода,  выделяемая  при  замораживании  влаги,  учитывается  как  дополнительная  теплоемкость,  определяемая  соотношением

,                                 (5)

где  r  –  теплота  кристаллизации  воды,  кДж/кг.

Первые  три  слагаемых  формулы  (5)  характеризуют  вклад  теплоемкостей  сухого  вещества,  льда  и  воды,  соответственно,  последнее  слагаемое  –  теплоту,  выделяемую  при  кристаллизации  воды.

Начальное  условие:  при    .

Граничные  условия:

при      ;

при    

где  α  –  коэффициент  теплоотдачи  от  частицы  к  хладагенту,  Вт/м∙К;

t_x  –  температура  диоксида  углерода,  °С.

Ввиду  нелинейного  характера  поставленной  задачи,  сложных  зависимостей  теплофизических  характеристик  от  температуры  ее  аналитическое  решение  не  представляется  возможным.  Поэтому  процесс  смоделирован  на  персональном  компьютере  с  применением  численных  методов.

Для  исследования  процесса  замораживания  ягоды  была  использована  экспериментальная  установка  [3],  внешний  вид  которой  представлен  (рис.  1).

Рисунок  1.  Схема  экспериментальной  установки

Установка  состоит  из  устройств  и  измерительного  прибора,  позволяющих  проводить  процесс  замораживания  ягоды  с  контролем  параметров:

·     изменения  скорости  движения  газа  в  камере;

·     изменение  температурного  поля  ягоды  в  зависимости  от  времени.

Ягоду  (6)  помещают  в  изолированную  камеру  (3).  После  чего  камера  закрывается,  и  в  нее  из  баллона  (1)  подается  диоксид  углерода  по  трубопроводу  (2).  Изменение  температуры  в  слое  ягоды  и  камере  контролируется  с  помощью  хромель-копелевых  термопар  (4)  сигнал  с  которых  подается  на  потенциометр  КСП-4  (5).  Циркуляция  газа  в  камере  обеспечивается  вентилятором  (7).

При  проведении  эксперимента  в  качестве  модельной  среды  использовались  плоды  облепихи.  В  камеру  периодично  осуществлялась  подача  диоксида  углерода.  Отсчитывалось  время  процесса,  и  через  определенные  промежутки  фиксировалась  температура  в  камере,  на  поверхности  и  в  объеме  ягоды.  Через  12  минут  от  начала  замораживания  она  составила  –  60°С.

Дискретный  аналог  уравнения  Фурье  (3)  получен  с  использованием  явной  схемы  с  постоянным  шагом  по  r  и  τ.  Использование  явной  схемы  для  аппроксимации  дифференциального  уравнения  накладывает  определенные  ограничения  на  выбор  величин  шагов  по  времени  (Δτ)  и  координате  (Δr).  Устойчивость  вычисления  обеспечивается  при  условии:

,                                                 (6)

,                                     (7)

где  F_o  –  сеточное  число  Фурье.

В  процессе  исследования  ягоды,  замороженной  диоксидом  углерода,  выявлен  ряд  принципиальных  преимуществ  по  сравнению  с  традиционной  технологией  заморозки:

·     время  заморозки  сокращается  до  5-30  минут;

·     быстро  прекращается  ферментативная  активность  в  продукте;

·     хорошо  сохраняется  структура  тканей  и  клетки  продукта,  поскольку  кристаллы  льда  формируются  значительно  меньших  размеров  и  практически  одновременно  в  клетках  и  в  межклеточном  пространстве  тканей;

·     при  медленной  заморозке  в  продукте  появляются  следы  жизнедеятельности  бактерий,  в  то  время  как  при  шоковой  заморозке  они  просто  не  успевают  развиться;

·     потери  массы  продукта  в  результате  усушки  составляют  всего  0,3%  (против  3-6%).

По  сравнению  с  замораживанием  жидким  азотом,  при  замораживании  диоксидом  углерода:

·     не  наблюдается  растрескивание  продукта  из-за  слишком  большого  перепада  температуры  между  поверхностью  и  сердцевиной  замораживаемого  продукта

·     в  процессе  замораживания  диоксид  углерода  проникает  в  продукт  и  во  время  размораживания  защищает  его  от  окисления  и  развития  микроорганизмов.

Плоды  и  овощи,  подвергнутые  быстрой  заморозке  и  фасовке  на  месте,  наиболее  полно  сохраняют  вкусовые  достоинства  и  питательную  ценность,  все  витамины  и  биологически  активные  вещества,  что  дает  возможность  широко  применять  их  для  производства  продуктов  для  детского  и  диетического  питания.

Список  литературы:

1.Лыков  А.В.  Теория  теплопроводности.  –  М.:  Высшая  школа,  1967.–599  с.

2.Рогов  И.А.,  Куцакова  В.Е.,  Филиппов  В.И.,  Фролов  С.В.  Консервирование  пищевых  продуктов  холодом.  –  М.:  Колос,  1999.–176  с.

3.Неверов  Е.Н.  Разработка  технологии  холодильной  обработки  тушек  птицы  диоксидом  углерода  в  условиях  транспортировки:  дис.  канд.  техн.  наук:  05.18.04  Кемерово,  2007.  –145  с.