Техника и технология инфракраснного нагрева в зернопереработке

Тепловое воздействие на зерно используется во многих технологических процессах его переработки. Цели могут быть различными - обеспечение безопасности продукта (обеззараживание, инактивация антипитательных веществ), сохраняемости (дезинсекция, снижение активности воды, т.е. обезвоживание), изменение технологических свойств (пластификация), обеспечение потребительских свойств (вкус, запах, цвет и другие сенсорные показатели). Методы и тем более средства нагрева разнообразны. С физической точки зрения различают кондуктивный (теплопроводностью), конвективный и радиационный нагрев. Конструктивная реализация того или иного метода и соответствующее оборудование широко представлено в интернете под различными названиями - сушилки, печи, обжарочные аппараты, микронизаторы, установки для высокотемпературной микронизации (ВТМ) и т.п.

Последние интересны тем, что в них превалирующим методом нагрева является радиационный. За этим страшным словом кроется эффект, которым мы пользуемся постоянно (на кухне, на пляже) - поглощение и преобразование энергии электромагнитного излучения (например, солнечного) в тепловое движение молекул вещества при их взаимодействии.

В последнее время микронизаторы нашли применение в производстве зернопродуктов быстрого приготовления - крупы, хлопьев, спецмуки [1, 2]. В отличие от установок с конвективным теплоподводом, они не требуют промежуточного теплоносителя (воздух, пар). Излучение непосредственно от источника попадает на продукт, нагревая его.
Общий вид установки и рабочая зона (со снятым верхним отражателем) показаны на рис 1. и рис.2.
Продукт (крупа, зерно или другие сыпучие материалы), равномерным слоем располагаясь на ленте транспортера, перемещается под ИК излучателями. Скорость транспортирования регулируется.
Электромагнитные волны излучает любое тело, температура которого выше абсолютного нуля. С ростом температуры возрастает энергетическая светимость (мощность, излучаемая с единицы площади поверхности) и уменьшается длина волны. На практике обычно используется излучение инфракрасной (ИК) части спектра в ближней (? =0.9-2.5 мкм, Т = 2900-890°С) и реже в средней (? = 2.5-8.5 мкм, Т =890-80°С) областях.

В качестве искусственного источника ИК излучения, в принципе, может быть использовано любое тело, тем или иным образом нагретое до соответствующей температуры. Конструктивное оформление ИК излучателей довольно разнообразно, как по форме (панели, колбы, трубки), так и по содержанию (газовые безпламенные горелки, ТЭНы, кварцевые галогеновые, карбоновые лампы и т.п.) [3]. В частности на рис.2 видны кварцевые галогеновые линейные ИК излучатели типа КГТ-1000-220. На практике важно знать, что используется в качестве первичного энергоносителя (газ или электроэнергия), особенности крепления и энергоподвода излучателя, температуру и материал излучающего элемента (или сразу параметры излучения) и лучистый К.П.Д.

Опыт промышленного использования установок ИК-термообработки зерна и крупы выявил, как минимум три проблемы, в общем типичных для такого рода операций:
1. Низкое тепловое К.П.Д. Если, в идеале, на нагрев одного килограмма сухого зерна на 100°С необходимо около 50 кВт.ч, то лучшая из предлагаемых конструкций потребляет около 130 кВт.ч (К.П.Д.= 0.26). При низких ценах на электроэнергию, это приемлемо, но с их ростом, может стать сдерживающим фактором. Однако, следует заметить, что этот показатель существенно зависит от режимов термообработки.
2. Ограничения по скорости нагрева, связанные с теплопроводностью и образованием градиента температуры в толстом слое продукта, и, как следствие, ограничения по удельной мощности установок.
3. Неоднородность показателей качества обработки отдельных зерен на выходе установки в силу разброса теплофизических и терморадиационных характеристик зерновок и неоднородности условий нагрева, вызванных неравномерностью поля облученности на поверхности монослоя в зоне обработки.
4. Размещение продукта монослоем не позволяет сократить удельную производственную площадь.
5. Инерционность в процессе остывания при использовании керамических ИК излучателей. При несанкционированном отключении электропитания и высоких температурах в зоне обработки возникает пожароопасная ситуация.

Производительность предлагаемых установок, в зависимости от целей термообработки, колеблется от 100 до 500 кг/час. Микронизаторы выпускаются рядом отечественных предприятий под заказ, но могут без особых затрат быть собраны в любой мало-мальски оборудованной слесарной мастерской. Простота обслуживания, легкая и быстрая перестройка на производство нового продукта, отсутствие необходимости в парогенераторе позволяют успешно эксплуатировать микронизаторы на малых и средних предприятиях. Накоплен опыт их применения при производстве комбикормов для молодняка, зернопродуктов быстрого приготовления, обжарке семечек и орехов. Исследовались возможности ИК термообработки при производстве пива, спирта.


Кормопроизводство
Использование зерна в кормопроизводстве без предварительной термообработки, по меньшей мере, не рационально, а в некоторых случаях, как, например, с соей, и опасно. В процессе нагрева происходит клейстеризация и декстринизация крахмала, частичная денатурация белка, инактивация некоторых антипитательных веществ (например, ингибитора трипсина в сое), обеззараживание. В результате снижается обсемененность, улучшается поедаемость, усвояемость и питательная ценность зерновой компоненты.

Так в исследованиях на поросятах-сосунах, проводимых И.Н. Миколайчиком в Курганской государственной сельскохозяйственной академии им. Т.С.Мальцева, среднесуточный прирост живой массы, выращенных на микронизированном зерне (при оптимальных режимах ИК термообработки) составил 288 г. против 217 г. в контрольной группе, что больше на 34% [6]. При этом затраты кормовых единиц на 1 кг прироста живой массы снизился на 25%, себестоимость на 14.6%, а рентабельность выращивания поросят возросла на 16.9%.
Аналогичные исследования на телятах и ягнятах, так же привели к положительному эффекту.

Изначально микронизаторы предназначались именно для обеззараживания и повышения пищевой ценности зерна, в частности, фуражного, в первую очередь для молодняка [4].

Но здесь возникла проблема, связанная с засоренностью зерна компонентами (половой, шелухой и т.п.), которые начинают обугливаться раньше, чем зерно доходит до кондиции. Пожарникам это не нравиться, поскольку требует повышенной осторожности при обработке не шелушеного ячменя и овса. Т.е. появляется необходимость в предварительной очистке или шелушении зерна, что в кормопроизводстве для молодняка приемлемо и экономически может быть оправдано.

Успешными оказались эксперименты по инактивации уреазы и ингибитора трипсина в сое [5].
Производство зернопродуктов быстрого приготовления 
Наиболее  широкое  применение микронизация нашла в технологических линиях производства круп быстрого приготовления и зерновых хлопьев, принципиальная технологическая схема, которой дана на рис.3.

Рисунок.3. Принципиальная технологическая схема производства круп быстрого приготовления (б/п) и хлопьев по 

ВТМ технологии

Желательная технологическая схема линии включает:
1. Операцию очистки крупы. Удаляются пыль, дробленые зерна и ферромагнитные примеси. Предлагается выполнять на гравитационном сепараторе, оснащенном магнитной зашитой.
2. ИК-термообработку.
3. Самопропаривание, например, в агрегате на базе смесителя. Обеспечивает дополнительную гидротермическую обработку за счет собственного тепла крупы, полученного в результате предыдущей термообработки. Сокращает время варки до готовности на 2-5 мин.
4. Плющение для получения хлопьев.
5. Охлаждение до температуры воздуха (+7...8°С).
6. Межоперационные перемещения при горизонтальной компоновке могут осуществляться винтовыми транспортерами. 

При вертикальной - самотеком.
Возможна упрощенная технология с ручной перегрузкой по схеме «очистка - термообработка - плющение».
Замена пропаривания ВТМ не только позволяет избавиться от этой неприятной операции (и парогенератора), но и отказаться от сушки. Более того, встал вопрос о доувлажнении крупы после ВТМ до стандартной влажности (в самопропаривателе). В этом случае ни что, кроме термостойкости, не мешает совместить эту операцию с внесением ароматизаторов или функциональных добавок.

Измельчая ИК термообработанную крупу, можно получать муку с легко управляемыми свойствами, которая используется для различных целей, в том числе для производства детского и лечебно-профилактического питания, как добавка в колбасные продукты [2, 3]. По крайней мере, получаемая мука вполне отвечает требованиям ГОСТ 27168-86 

(Мука для продуктов детского питания. Технические условия).
Очевидно, что ВТМ технология может быть применена и в производстве национальных зернопродуктов, таких как, например, талкан, цзамба, салмат. Однако, отмечено, что у зернопродуктов с высоким содержанием жира (овес, пшено и т.п.) после ВТМ снижается показатель сохраняемости, продукт сравнительно быстро (3-4 месяца) прогоркает.

Микронизаторы могут быть использованы в качестве сушилок, причем с хорошим энергетическим показателем по испаренной влаге (порядка 0.7 кВт/кг).
Таким образом, нагрев в потоке ИК излучения (микронизация) в ряде случаев вполне успешно выступает в качестве альтернативы другим методам термообработки зернопродуктов.


Литература:
1. Зверев С.В., Зверева Н.С. Функциональные зернопродукты. - М.: «ДеЛи -принт», 2006. - 119 с.
2. Семенова А.А., Кузнецова Т.Г., Гундырева М.И., Зверев С.В. Исследование функционально-технологических свойств микронизированной муки для производства вареных колбасных изделий // Все о мясе, 2002, №1. - с. 6-8.
3. Зверев С.В. Высокотемпературная микронизация в производстве зернопродуктов. - М.: «ДеЛи принт», 2009. - 222 с.
4. Зверев С.В., Соловьев A.M., Барсуков M.B., Попов А.П. Повышение качества фуражного зерна - высокотемпературная микронизация. - М: ДеЛи принт, 2001.- 35 с.
5. Зверев С.В., Сесикашвили О.Ш., Буллах Ю.Г. Соя. Свойства. Термообработка. Использование. - Кутаиси: Из-во гос. Университета Акакия Церетели, 2013 - 198 с.
6. Микронизация фуражного зерна / В.А. Новикова и др. - Курган: КГСХА 2010. -118с

 

---