Пристрій для декомпресійної обробки харчових продуктів

Реферат: Пристрій для декомпресійної обробки харчових продуктів, призначений для використання в харчовій промисловості. Технічна задача: швидке перетворення рідини, що знаходиться в міжклітинних порах, в пару та створення умов для розриву міжклітинних зв'язків в харчовому продукті, зменшення терміну його високотемпературної обробки. Задача вирішується тим, що у відомому автоклаві електричний тен через термодатчик зв'язаний з блоком управління потужністю електроенергії та часом її постачання, а робочу герметичну ємність через перехідні електромагнітні клапани з'єднано відповідно з ємностями низького та високого тиску, яку з'єднано з компресором через регулятор тиску, а ємність низького тиску - з форвакуумним насосом, через свій регулятор тиску. Одержаний результат: підвищення біологічних та органолептичних властивостей харчових виробів, зменшення енергетичних витрат. UA 112227 C2 (12) UA 112227 C2 UA 112227 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі громадського харчування, а саме пристроїв для термічної обробки харчових продуктів. Відомий метод обробки харчових продуктів [Патент на корисну модель № 89733. Опубліковано 25.04.2014. Бюл. № 8], у відповідності до якого за рахунок перетворення перегрітого водного розчину у пару високого тиску, що знаходиться у міжклітинному просторі харчового продукту, прискорюється процес досягнення продуктом кулінарної готовності, причому - за скорочений час енергетичної дії зі збереженням його корисної цінності, для чого використовують відомий автоклав для обробки харчових продуктів під тиском, [Богданова М. А. Оборудование предприятий общественного питания: Учеб. пособие для средних проф.-техн. Училищ/ Богданова М., Смирнова 3., Богданов Г. - М.: Экономика, 1980, - 280 с. (С. 175-179)], в якому не реалізована можливість декомпресійної обробки харчових продуктів. Автоклав містить розташовану над електричним теном робочу герметичну ємність з термодатчиком, манометр, кран для спуску пари та запобіжний клапан. Описаний пристрій вибраний авторами як прототип за кількістю загальних конструктивних ознак. Пристрою за прототипом притаманний такий недолік - неможливість миттєвого скиду тиску в робочій герметичній ємності та великі енергозатрати через наступні причини. Опис процесу. В автоклаві, наприклад, КПЭ-60 харчовий продукт розміщують в робочій герметичній ємності 60 літрів з водою. Через 45 хвилин після включення електричного тена потужністю 8 кВт тиск та температура у робочому об'ємі ємності досягають необхідних технологічних значень (наприклад, 120 °C та 200 кПа). Енергозатрати складають 21,6 МДж. Після витримки харчового продукту при цьому тиску та температурі протягом 1-5 хвилин у залежності від геометричних розмірів та властивостей продукту, виключають електричний тен та різко скидають тиск на рідинне середовище за допомогою крана для спуску пари. Харчовий продукт досягає температури 100 °C та стану кулінарної готовності. Після цього протягом 10-20 хв. температура виробу зменшується до температури споживання (40-50 °C) за рахунок передачі енергії в навколишнє середовище у відповідності з явищами конвекції та теплопровідності. Таким чином, енергія, що виділяється електричним теном (затрачена енергія), витрачається на нагрівання конструктивних частин автоклава (приблизно 10 %), води (~40 %) та харчового продукту (~40 %), що знаходяться у робочій герметичній ємності, а також на конвективний теплообмін між поверхнею стінок автоклава та навколишнім середовищем (~10 %). При відкритті крана для спуска пари тиск у робочому об'ємі ємності зменшується від 200 кПа до атмосферного, а температура води у ньому та у міжклітинному просторі харчового продукту від 120 °C до 100 °C. Зменшення температури відбувається за рахунок перетворення частини всієї перегрітої води у стан пари. Пара, що утворюється у міжклітинному просторі харчового продукту, руйнує його структурні зв'язки (корисні витрати енергії), а пара, що утворилася у герметичному об'єму, викидається у навколишній простір (некорисні витрати енергії). При зменшенні температури води та харчового продукту від температури 100 °C до температури споживання (40-50 °C), частина їх внутрішньої енергії викидається у навколишній простір (не корисні витрати енергії). Розглянемо витрати, обумовлені використанням води в технологічному процесі та їх залежність від її кількості. Частина енергії електричного тена (~ 0,4 • 8 КДж • 45 хв.=8,6 МДж) витрачається на нагрівання води у геометричному об'ємі ємності та створення необхідного тиску (200 кПа), який забезпечує реалізацію декомпресійного процесу. Вся ця енергія в процесі та після обробки харчового продукту викидається в навколишній простір. Частина цієї енергії (1,8 МДж) при скиданні тиску за допомогою відкриття крана для спуску пари перетворює частину перегрітої води у пару високого тиску. У робочій герметичній ємності утворюється суміш гарячої води та невеликих роз'єднаних об'ємів пари з високим тиском. Ця суміш за допомогою високого тиску за великий проміжок часу (1-2 хв.) викидається у навколишній простір. Конструкція автоклава не може забезпечити миттєвого скиду тиску у робочій герметичній ємності. Випливає висновок про недоцільність використання водяної пари для створення тиску в робочій герметичній ємності. Створення тиску за рахунок переходу води в пару не тільки енергозатратне, але і потребує багато часу. 1 UA 112227 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найменша кількість води, що спроможна при нагріванні та випаруванні створити тиск 200 кПа у автоклаві, що має робочий об'єм 60 л складає приблизно 66 г. На цей процес потрібні витрати енергії 0,2 МДж. Для зменшення вказаних енергетичних витрат потрібно суттєво зменшити кількість води, або повністю вилучити її із робочого об'єму, але це вилучення унеможливлює реалізацію декомпресійного методу обробки за допомогою автоклава. Розглянемо витрати енергії нагрітого харчового продукту (~ 0,4 • 8 КДж • 45 хв.=8,6 МДж). Перша частина енергії харчового продукту (1,7 МДж) обумовлена зменшенням його температури від 120 до 100 °C, використовується на створення високого тиску у міжклітинному просторі та на розрив структурних зв'язків усередині продукту, (корисні витрати енергії). Друга частина енергії (5,2 МДж) за рахунок явищ конвекції та теплопровідності передається навколишньому середовищу при остиганні харчового продукту від температури 100 °C до температури споживання 40 °C. (некорисні витрати енергії). Третя частина енергії (1,7 МДж), що використовується на нагрівання харчового продукту від кімнатної температури 20 °C до температури споживання 40 °C є корисною. Загальні некорисні витрати енергії обумовлені використанням у автоклаві води та необхідністю зниження температури харчового продукту після обробки за допомогою автоклава від температури 100 °C до температури споживання 40 °C дорівнюють 13,8 МДж, що складає 64 % відносно до затраченої енергії 21,6 МДж. Конструкція пристрою - прототипу не створює умов для зменшення енергії викидів у навколишній простір. В основу винаходу поставлена задача удосконалення пристрою для термічної обробки харчових продуктів шляхом зниження витрат енергії та часу за рахунок зміни способу створення регульованого, як тиску в міжклітинному просторі харчового продукту, так і його температури в межах вище температур кипіння води і споживання. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому пристрої для термічної обробки харчових продуктів, що містить робочу герметичну ємність з теном та термодатчиком, запобіжним клапаном та манометром, у відповідності до винаходу тен через термодатчик зв'язаний з блоком управління потужністю електроенергії та часом її постачання, а робочу герметичну ємність через перехідні електромагнітні клапани з'єднано відповідно з ємностями низького та високого тиску, яку з'єднано з компресором через регулятор тиску, а ємність низького тиску - з форвакуумним насосом, через свій регулятор тиску. Схема пристрою приведена на рисунку, де 1- робоча герметична ємність, 2 - харчовий продукт, 3 - тен, 4 - блок управління, 5 - термодатчик, 6, 7 - перехідні електромагнітні клапани, 8 - ємність високого тиску, 9 - регулятор високого тиску, 10 - компресор, 11 - ємність низького тиску, 12 - регулятор низького тиску, 13 - форвакуумний насос (запобіжний клапан та манометр на схемі не показані). Пристрій працює в такий спосіб: у робочій герметичній ємності 1 розміщують харчовий продукт 2 з незначною кількістю води. У блоці 4 управління електричною енергією, задають температуру обробки харчового продукту 2, рівень високого тиску в ємності 8, рівень низького тиску в ємності 11, проміжок часу між досягненням в робочій ємності 1 заданої температури та терміном закриття електромагнітного клапана 7 та відкриття електромагнітного клапана 6 (скиду тиску). Включають блок керування 4, який подає максимальну електричну потужність на тен 3, номінальну потужність на компресор 10 та форвакуумний насос 13. При цьому в ємності 11 тиск буде зменшуватися до заданого рівня (наприклад 7,36 кПа), після цього регулятор тиску 12 та блок керування 4 будуть підтримувати указаний рівень низького тиску. В ємності 8 тиск буде збільшуватися до заданого рівня (наприклад 200 кПа), після цього регулятор тиску 9 та блок керування 4 будуть підтримувати вказаний рівень високого тиску. Після досягнення заданих рівнів тиску в ємностях 8 і 11 блок керування 4 відкриває перехідний клапан 7. У робочій ємності 1 відбувається інтенсивне нагрівання харчових продуктів до заданої високої температури (120 °C). Після досягнення заданої високої температури термодатчик 5 подає електричний сигнал на блок керування 4. Блок керування 4 знижує потужність електричної енергії, яку споживає електричний, тен. При цій потужності підтримується постійна висока температура (120 °C) у робочій ємності 1 протягом заданого 1-5 хв. проміжку часу потрібного для початкової стадії термічної обробки харчового продукту. Після проходження заданого проміжку часу блок керування 4 закриває перехідний клапан 7 та відкриває перехідний клапан 6, що приводить до різкого зменшення тиску у робочій ємності 1 з високого рівня (200 кПа) до низького рівня (7,36 кПа). Після цього блок керування 4 відключає пристрій від електромережі. При різкому скиді тиску від 200 кПа до 7,36 кПа частина водного 2 UA 112227 C2 5 10 15 20 розчину, що має температуру 120 °C та знаходиться у міжклітинному просторі харчового продукту, перейде у пару, а температура харчового виробу знизиться до 40 °C. У цьому випадку вся енергія, що надійшла від електричного нагрівача в харчовий продукт, буде використана на розрив структурних зв'язків (корисна енергія) та не буде викидатися у навколишній простір. Технічний результат, який досягається при застосуванні пристрою, що заявляється, полягає у наступному: - високий тиск у робочій ємності створюється без використання води та перетворення її в пару; - наслідком цієї ознаки є можливість регулювання тиску, температури та часу обробки продукту до досягнення кулінарної готовності; - зниження енергоємності процесу через скорочення некорисних енерговитрат та часу через те, що бітовий компресор (Forte FL-50, технічні характеристики: потужність - 1,5 кВт; продуктивність - 203 л/хв.; тиск - 8 бар; ресивер - 50 л) створить у об'ємі 60 л тиск 200 кПа за 5 хв. використавши для цього менше енергії (0,04 МДж) порівняно з енергією (0,2 МДж), яку потрібно витратити, щоб перевести 66 г води у пару з тиском 200 кПа. За рахунок створення високого заданого рівня тиску атмосфери у робочому об'ємі пристрою за допомогою компресора, (а не за рахунок перегрітої води (пари)) та різкого викиду її у об'єм з атмосферою розрідженою до низького заданого тиску стає можливим: - скоротити час високотемпературної обробки харчових продуктів та зменшити руйнування вітамінів у харчовому продукті; - збільшити пористість у готовому виробі (наприклад, як у попкорні). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Пристрій для декомпресійної обробки харчових продуктів, що містить робочу герметичну ємність з теном та термодатчиком, запобіжним клапаном та манометром, який відрізняється тим, що тен через термодатчик зв'язаний з блоком управління потужністю електроенергії та часом її постачання, а робочу герметичну ємність через перехідні електромагнітні клапани з'єднано відповідно з ємностями низького та високого тиску, яку з'єднано з компресором через регулятор тиску, а ємність низького тиску - з форвакуумним насосом, через свій регулятор тиску. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3