RU2773934C1

RU2773934C1 - Method and device for low-temperature vacuum drying of crushed products of animal and plant origin

Info

Publication number: RU2773934C1
Application number: RU2021124331A
Authority: RU
Inventors: Николай Эрнестович Каухчешвили; Алексей Алексеевич Грызунов; Сергей Сергеевич Борзов; Александр Валерьевич Строков
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-06-14

Abstract

FIELD: food industry.

SUBSTANCE: invention relates to drying equipment for crushed food products. An installation for low-temperature vacuum drying of crushed food products of animal and plant origin is proposed, which consists of a vacuum chamber made in the form of a torus with a movable upper lid, in which at least eight magnetrons for microwave heating of the product are located, and an upper window of the loading hopper, a vacuum receiver, the vacuum in which is created and maintained using a vacuum pump, pipelines and vacuum shut-off valves for the possible connection of at least one more vacuum chamber, at the same time, the vacuum chamber has a fixed side wall, with nozzles located in it with a high-speed valve for creating a vacuum connected to a vacuum receiver and a valve for removing vacuum and equalizing pressure, a bottom along which the dried product is distributed and discharged through the lower discharge window using a pusher, independent rotary mechanisms for rotating the upper lid and the pusher, as well as a device that measures the temperature change of the product in the area of the electromagnetic field of each magnetron, at the signal of which each of the magnetrons turns on and off, and the emitters of each of the magnetrons are located at an angle of 45°+/-10° to the bottom surface of the vacuum chamber, and the internal volume of the vacuum chamber correlates with the volume of the vacuum receiver at least at 1:10. A method for low-temperature vacuum drying of crushed food products of animal and plant origin using this device is also proposed, which includes heating of the dried product due to the pulsed action of an electromagnetic field of super-high frequency, which is created by turning on and off magnetrons, drying until the temperature of the product reaches 30-40°C, while at the beginning of drying in the vacuum chamber for 1-1.5 min the pressure is decreased to values of 10-15 mm Hg.

EFFECT: invention makes it possible to improve the quality of dried products, reduce energy costs and shorten the duration of the dehydration process.

2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к сушильному оборудованию и обеспечивает вакуумную сушку измельченных пищевых продуктов, в том числе и замороженных.The present invention relates to drying equipment and provides vacuum drying of crushed food products, including frozen ones.

Известно, что одним из перспективных способов консервации продуктов, с точки зрения максимального сохранения в нем полезных составляющих, является сублимационная или низкотемпературная вакуумная сушка.It is known that one of the promising methods of food preservation, from the point of view of maximum preservation of useful components in it, is sublimation or low-temperature vacuum drying.

Основные отличия сублимационной сушки от низкотемпературной вакуумной сушки.The main differences between freeze drying and low temperature vacuum drying.

При сублимационной сушке происходит испарение влаги непосредственно из замороженного состояния (льда), т.е. без фазового перехода льда в жидкость. Однако, сублимационная вакуумная сушка требует значительных затрат энергии и времени на осуществление процесса сушки, что приводит к высокой стоимости продукта и высокой стоимости оборудования. При низкотемпературной вакуумной сушке реализуется переход влаги, содержащейся в измельченном продукте (измельченный замороженный продукт на первой стадии высушивания размораживается), из жидкого состояния в пар. В вакуумной камере при еще значительной величине влагосодержания в продукте происходит не просто испарение, а интенсивное кипение, при температуре от нуля до сорока - пятидесяти градусов, в зависимости от объекта обезвоживания. При этом в готовом, обезвоженном изделии сохраняются практически все присущие исходному сырью витамины и другие полезные нутриентные элементы.During freeze drying, moisture is evaporated directly from the frozen state (ice), i.e. no phase transition of ice into liquid. However, freeze-drying requires a significant amount of energy and time to carry out the drying process, resulting in a high product cost and high equipment cost. At low-temperature vacuum drying, the transition of moisture contained in the crushed product (the crushed frozen product is thawed at the first stage of drying) from a liquid state to steam is realized. In a vacuum chamber with a still significant moisture content in the product, not just evaporation occurs, but intense boiling, at a temperature from zero to forty - fifty degrees, depending on the object of dehydration. At the same time, in the finished, dehydrated product, almost all the vitamins and other useful nutrient elements inherent in the original raw material are preserved.

В известна вакуумная сублимационная установка для сушки биологических материалов (патент РФ RU21196622C1) содержащая вакуумную камеру с одной или двумя этажерками из нескольких плит, вынесенный за пределы камеры холодильный агрегат с конденсатором - вымораживателем воды из паров воздуха, (далее десублиматор) отсасываемых вакуумным насосом, вакуумный насос, трубопроводную и запорную арматуру, приборы контроля и автоматики и т.п.Подогрев продукта в камере происходит за счет его кондукторного контакта с поверхностью плит, которые нагреваются посредством горячего теплоносителя, пара или электронагревательных элементов.Недостатком является не равномерный подогрев продукта и длительность процесса сушкиA vacuum sublimation plant for drying biological materials is known (RF patent RU21196622C1) containing a vacuum chamber with one or two shelves of several plates, a refrigeration unit located outside the chamber with a condenser - water freezer from air vapor, (hereinafter referred to as the desublimator) sucked by a vacuum pump, vacuum pump, pipeline and shut-off valves, control and automation devices, etc. The heating of the product in the chamber occurs due to its conductor contact with the surface of the plates, which are heated by means of a hot coolant, steam or electric heating elements. The disadvantage is uneven heating of the product and the duration of the process drying

Микроволновые вакуумные установки, например, серии "Муссон, предназначенные для обработки продуктов с использованием микроволнового разогрева и вакуума, и СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКЦИИ В ВАКУУМНОЙ СВЧ СУШИЛКЕ - патент РФ RU 2735914 C1. Недостатками данных устройств является отсутствие контроля температуры самого объекта сушки, что может привести к его перегреву, а также сложность организации процесса «загрузки - выгрузки», что существенно увеличивает общую продолжительность процесса сушки.Microwave vacuum units, for example, the Monsoon series, designed to process products using microwave heating and vacuum, and a METHOD FOR OBTAINING PRODUCTS IN A VACUUM MICROWAVE DRYER - RF patent RU 2735914 C1. The disadvantages of these devices is the lack of temperature control of the drying object itself, which can lead to to its overheating, as well as the complexity of organizing the "loading - unloading" process, which significantly increases the overall duration of the drying process.

Прототипом является «СУБЛИМАТОР С СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СУШКИ ЗАМОРОЖЕННОЙ ПРОДУКЦИИ» (Патент РФ RU 2565227 C1).The prototype is a "sublimator with a microwave generator for drying frozen products" (RF Patent RU 2565227 C1).

Сублиматор представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру с нижним и верхним люками и патрубками для вакуум-насоса и слива отходов, разделенную на две части с помощью многослойных перфорированных перегородок из неферромагнитного материала, причем в ее нижней части, служащей объемным резонатором СВЧ-генератора, расположена диэлектрическая мешалка, а в верхней части камеры установлен конденсатор-вымораживатель, соединенный с холодильным контуром, расположенным с внешней стороны камеры, при этом генераторный блок герметично закреплен к объемному резонатору с внешней стороны так, что магнетрон направлен вовнутрь, а мотор редуктор привода мешалки установлен под нижним основанием цилиндрической камеры. Основным температурным параметром при сушке продукта в данном устройстве является изменение его среднеобъемной температуры.The sublimator is a vertical cylindrical chamber with lower and upper hatches and branch pipes for a vacuum pump and waste disposal, divided into two parts by means of multilayer perforated partitions made of non-ferromagnetic material, and in its lower part, which serves as a cavity resonator of the microwave generator, there is a dielectric stirrer , and in the upper part of the chamber there is a condenser-freezer connected to the refrigeration circuit located on the outside of the chamber, while the generator unit is hermetically fixed to the cavity resonator from the outside so that the magnetron is directed inward, and the agitator drive gear motor is installed under the lower base cylindrical chamber. The main temperature parameter during the drying of the product in this device is the change in its average volume temperature.

Недостатком данного устройства является то, что контролируемая температура разогрева пищевого продукта определяется, как среднеобъемная, а это не исключает перегрева части продукта выше установленного максимума, в следствии чего часть, например, витаминов или белков будут разрушаться, что негативно отразится на качестве готового изделия. Кроме того, процессы равномерной загрузки и выгрузки продукта сложны, а сам процесс сушки занимает много времени (также тратится дополнительная энергия из-за дополнительно установленных перегородок из неферромагнитного материала происходит снижение мощности потока СВЧ волн при непрерывной работе магнетрона.).The disadvantage of this device is that the controlled heating temperature of the food product is defined as the average volume, and this does not exclude overheating of a part of the product above the set maximum, as a result of which, for example, vitamins or proteins will be destroyed, which will negatively affect the quality of the finished product. In addition, the processes of uniform loading and unloading of the product are complex, and the drying process itself takes a long time (also, additional energy is spent due to additionally installed partitions made of non-ferromagnetic material, the power of the microwave wave flux decreases during continuous operation of the magnetron.).

Целью изобретения является повышение качества высушенной продукции, снижение энергетических затрат и сокращение продолжительности процесса обезвоживания.The aim of the invention is to improve the quality of dried products, reduce energy costs and reduce the duration of the dehydration process.

Цель достигается за счет за счет организации импульсной работы СВЧ магнетронов при нагреве продукта не выше заданной температуры в процессе его сушки, автоматизации технологического процесса загрузки и выгрузки продукта, использования дополнительного вакуумного ресивера с объемом в несколько раз превышающим объем вакуумной камеры.The goal is achieved by organizing the pulsed operation of microwave magnetrons when the product is heated not higher than the specified temperature during its drying, automating the technological process of loading and unloading the product, using an additional vacuum receiver with a volume several times greater than the volume of the vacuum chamber.

В предлагаемом изобретении, с целью снижение энергетических затрат, подогрев измельченного продукта осуществляется за счет воздействия энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, но не постоянного воздействия, а импульсного, которое создают попеременно включающиеся магнетронами (не менее восьми), каждый из которых включается и выключается по сигналу (команде) устройства измеряющего, в процессе сушки, температуру продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого из магнетронов.In the proposed invention, in order to reduce energy costs, the heating of the crushed product is carried out due to the influence of the energy of an electromagnetic field of an ultra-high frequency, but not a constant effect, but a pulsed one, which is created by magnetrons (at least eight) that are switched on alternately, each of which is turned on and off by a signal (command) of a device that measures, during the drying process, the temperature of the product in the zone of action of the electromagnetic field of each of the magnetrons.

На фиг.1, 2 и 3 представлены пространственные изображения вакуумной камеры. Вакуумная камера для сушки измельченного продукта содержит: камеру, исполненную в виде тора с подвижной верхней крышкой 1 и с загрузочным бункером 2; магнетроны СВЧ волн 3; неподвижную боковую стенку 4 с расположенными в ней патрубками с быстродействующими клапанами для создания вакуума 5 и снятия вакуума (до величины атмосферного) 6; днище вакуумной камеры 7, по которому распределяется, перемещается и выгружается через разгрузочное окно 9 и высушенный продукт с помощью специального штока 8. А также независимые поворотные механизмы для вращения верхней крышки камеры и толкателя, устройство измеряющее, в процессе сушки, температуру продукта в зоне действия электромагнитного поля каждого из магнетронов и управляющее их включением- выключением (на рисунках не показаны). Толкатель и все внутренние поверхности вакуумной камеры покрыты анти адгезионным материалом (например, фторопластом или тефлоном). На фиг.4 представлена общая (принципиальная - без мелких узлов и деталей) схема установки для вакуумной сушки измельченного продукта.In Fig.1, 2 and 3 presents spatial images of the vacuum chamber. The vacuum chamber for drying the crushed product contains: a chamber made in the form of a torus with a movable top cover 1 and a hopper 2; microwave magnetrons 3; a fixed side wall 4 with branch pipes located in it with quick-acting valves for creating a vacuum 5 and removing the vacuum (up to atmospheric) 6; the bottom of the vacuum chamber 7, along which it is distributed, moved and unloaded through the unloading window 9 and the dried product using a special rod 8. As well as independent rotary mechanisms for rotating the upper cover of the chamber and the pusher, a device that measures, during the drying process, the temperature of the product in the area of action electromagnetic field of each of the magnetrons and controlling their on-off (not shown in the figures). The pusher and all internal surfaces of the vacuum chamber are coated with an anti-adhesive material (for example, fluoroplastic or teflon). Figure 4 shows a general (principal - without small components and parts) installation diagram for vacuum drying of the crushed product.

Процесс сушки происходит следующим образом.The drying process is as follows.

В начале работы включают холодильную машину (на рисунке не показано), испаритель которой находится внутри вакуумного ресивера (II - фиг.4). Практически одновременно включают вакуумный насос (III - фиг.4) и создают необходимую величину вакуума в вакуумном ресивере (II), далее в течение всего процесса сушки автоматически поддерживается заданное значение вакуума путем включения и выключения насоса при изменении давления. Далее загружают в вакуумную камеру замороженный или не замороженный измельченный пищевой продукт.Происходит это, следующим образом (см. фиг.1, 2 и 3). При загрузке продукта толкатель в камере находится в положении между верхним окном загрузочного бункера (в верхней крышке камеры) и нижним разгрузочным окном (в днище камеры). После заполнения бункера продуктом (объем которого соответствует объему распределения продукта по днищу камеры толщиной не более 20 мм), независимый механизм с помощью мотора-редуктора медленно вращает верхнюю крышку камеры против часовой стрелки, тем самым равномерно распределяя через открытое разгрузочное окно продукт по всей поверхности днища камеры. Сделав один оборот и достигнув первоначального положения, поворотный механизм останавливается, в этом положении окно загрузочного бункера остается закрытым. После этого, открывают быстродействующий клапан 5, соединенный с вакуумным ресивером, обеспечивая резкое создание заданной величины вакуума в камере - равное величине вакуума в ресивере, за счет существенной разницы (не менее чем в 10 раз, что во время осуществления сушки, дает возможность поддерживать в вакуумном ресивере заданное давление с помощью экономичного и не дорогого вакуумного насоса) объемов вакуумной камеры и вакуумного ресивера. Процесс вакуумной сушки начался. Для интенсификации процесса сушки, подогрев высушиваемого продукта осуществляется за счет импульсного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, излучаемого попеременно включающимися по сигналу устройства, контролирующего изменение заданной температуры продукта в зоне действия излучателей магнетронов, расположенных в верней крышке камеры 3. После завершения процесса сушки, обычно это определяется по достижению заданной температуры продукта плюс 30 - 40 °С, закрывают клапан 5 и открывают клапан 6 для выравнивания давления в камере 1 до величины атмосферного. Для выгрузки готового продукта из камеры 1, включается независимый поворотный механизм для вращения против часовой стрелки специального толкателя 8, поворот которого открывает разгрузочное окно и одновременно перемещает готовый, высушенный измельченный продукт по внутреннему днищу камеры 7 к разгрузочному окну 9. Следует отметить, что из-за специально подобранной разницы между внутренним объемом камеры и вакуумного ресивера (не менее, чем в 10 раз), к последнему, можно присоединить, посредством вакуумной арматуры и быстродействующих клапанов, еще одну или несколько камер, которые должны аналогично работать, но с определенным временным запаздыванием, рассчитываемым в зависимости от их количества. Такое решение может серьезно увеличить производительность производства.At the beginning of work include a refrigerator (not shown in the figure), the evaporator which is inside the vacuum receiver (II - Fig.4). Almost simultaneously turn on the vacuum pump (III - Fig.4) and create the required vacuum in the vacuum receiver (II), then during the entire drying process, the set vacuum value is automatically maintained by turning the pump on and off when the pressure changes. Next, the frozen or non-frozen ground food product is loaded into the vacuum chamber. This happens as follows (see figures 1, 2 and 3). When loading the product, the pusher in the chamber is in a position between the upper window of the loading hopper (in the upper cover of the chamber) and the lower unloading window (in the bottom of the chamber). After filling the hopper with the product (the volume of which corresponds to the volume of distribution of the product on the bottom of the chamber with a thickness of not more than 20 mm), an independent mechanism using a gear motor slowly rotates the top cover of the chamber counterclockwise, thereby evenly distributing the product through the open discharge window over the entire surface of the bottom cameras. Having made one revolution and having reached the initial position, the rotary mechanism stops, in this position the loading hopper window remains closed. After that, the quick-acting valve 5 is opened, connected to the vacuum receiver, providing a sharp creation of a given vacuum value in the chamber - equal to the vacuum value in the receiver, due to a significant difference (at least 10 times, which during drying, makes it possible to maintain set pressure in the vacuum receiver using an economical and inexpensive vacuum pump) volumes of the vacuum chamber and the vacuum receiver. The vacuum drying process has started. To intensify the drying process, heating of the product to be dried is carried out due to the pulsed action of an electromagnetic field of an ultrahigh frequency emitted by devices that alternately switch on the signal and control the change in the set temperature of the product in the area of action of the magnetron emitters located in the upper cover of the chamber 3. After the completion of the drying process, this is usually is determined by reaching the desired temperature of the product plus 30 - 40 ° C, close the valve 5 and open the valve 6 to equalize the pressure in the chamber 1 to the atmospheric value. To unload the finished product from the chamber 1, an independent rotary mechanism is activated to rotate the special pusher 8 counterclockwise, the rotation of which opens the unloading window and simultaneously moves the finished, dried, crushed product along the inner bottom of the chamber 7 to the unloading window 9. It should be noted that due to for a specially selected difference between the internal volume of the chamber and the vacuum receiver (not less than 10 times), the latter can be connected, by means of vacuum fittings and high-speed valves, to one or more chambers that should work similarly, but with a certain time delay calculated according to their number. Such a solution can seriously increase production productivity.

В начальный период сушки давление в вакуумной камере, равно как и в вакуумном ресивере, не должно превышать значений выше 10 - 15 мм рт.ст., т.к. в противном случае скорость миграции влаги из внутренних слоев измельченного продукта сильно сократится, т.к. ее значение пропорционально разнице парциальных давлений паров воды над его поверхность и над охлаждаемой поверхность десублиматора в вакуумном ресивере. Чем больше эта разница, тем выше скорость сушки (обезвоживания), это особенно заметно при таком интенсивном, объемном способе разогрева продукта в процессе вакуумной сушки, как СВЧ волнами. Поддержание давления в камере ниже 10 мм рт.ст.экономически не целесообразно.In the initial period of drying, the pressure in the vacuum chamber, as well as in the vacuum receiver, should not exceed values above 10 - 15 mm Hg, because otherwise, the rate of moisture migration from the inner layers of the crushed product will be greatly reduced, because. its value is proportional to the difference in partial pressures of water vapor over its surface and over the cooled surface of the desublimator in the vacuum receiver. The greater this difference, the higher the drying (dehydration) rate, this is especially noticeable with such an intensive, voluminous method of heating the product during vacuum drying as microwave waves. Maintaining the pressure in the chamber below 10 mm Hg is not economically feasible.

Учитывая относительно не большую внутреннюю высоту вакуумной камеры (что определяется толщиной слоя высушиваемого измельченного продукта) и расположение магнетронов электромагнитных СВЧ волн в ее крышке, (то телесный угол их излучения) и зона покрытия продукта в вакуумной камере будет больше, если их расположить под углом к поверхности дна камеры. Из геометрических расчетов, можно предположить, что величина такого угла должна лежать в пределах 45+/- 10°, а их количество - не менее восьми. Другими словами, излучатели каждого из магнетронов расположены таким образом, что ось телесного угла СВЧ - волн обеспечивает равномерный подогрев всего продукта в камере.Considering the relatively small internal height of the vacuum chamber (which is determined by the thickness of the layer of the dried crushed product) and the location of the magnetrons of electromagnetic microwave waves in its cover (then the solid angle of their radiation) and the coverage area of the product in the vacuum chamber will be larger if they are placed at an angle to bottom surface of the chamber. From geometric calculations, it can be assumed that the value of such an angle should lie within 45 +/- 10 °, and their number should be at least eight. In other words, the emitters of each of the magnetrons are located in such a way that the axis of the solid angle of the microwave waves ensures uniform heating of the entire product in the chamber.

Claims

1. Installation for low-temperature vacuum drying of crushed food products of animal and vegetable origin, characterized in that it consists of a vacuum chamber made in the form of a torus with a movable top cover, in which there are at least eight magnetrons for microwave heating of the product, and the top window of the loading hopper , a vacuum receiver, the vacuum in which is created and maintained by means of a vacuum pump, pipelines and vacuum valves for the possible connection of at least one more vacuum chamber, while the vacuum chamber has a fixed side wall, with nozzles located in it with a quick-acting valve to create vacuum connected to a vacuum receiver and a valve for relieving vacuum and equalizing pressure, a bottom along which the dried product is distributed and unloaded through the lower discharge window using a pusher, independent swivel mechanisms for rotating the top cover and pusher , as well as a device that measures the change in product temperature in the zone of action of the electromagnetic field of each magnetron, on the signal of which each of the magnetrons turns on and off, and the emitters of each of the magnetrons are located at an angle of 45°+/-10° to the surface of the bottom of the vacuum chamber, and the inner the volume of the vacuum chamber correlates with the volume of the vacuum receiver at least 1:10.

2. The method of low-temperature vacuum drying of crushed food products of animal and vegetable origin using the device according to claim 1, characterized in that it includes heating the product to be dried due to the pulsed action of an electromagnetic field of microwave frequency, which is created by turning the magnetrons on and off, drying until the product temperature is reached 30-40°C, while at the beginning of drying in a vacuum chamber for 1-1.5 min, reduce the pressure to values of 10-15 mm Hg. Art.