Разработка процесса сушки зерен натурального кофе в осциллирующем режиме псевдоожиженного слоя

Производство кофе на Кубе является одной из важнейших отраслей народного хозяйства республики. Кофе является продуктом экспорта страны и его производство постоянно расширяется. Одной из основных стадий обработки зерен кофе является процесс его сушки, который при существующей технологии весьма длителен и от его реализации значительно зависит качество зерна.

Промышленная обработка зерен кофе делится на две стадии: подготовка зерна и его переработка на заводах. Первая — включает первичную очистку, ферментацию, мойку и сушку в естественных условиях на открытых площадкахвторая — досушку, очистку зерен от второй оболочки, сортировку по размерам, полировку и отбор зерен по цвету. Дня досушки используют барабанные сушилки.

Сушка на открытых площадках осуществляется на специально отведенных участках, занимающих большие площади. Влажность зерна снижается цри этом до 20%, а при досушке — до 11,5%. Зёрна кофе с влажностью 20 $ могут храниться до I года. Предварительная сушка зерна должна осуществляться немедленно после сбора зерен кофе. Сушка на открытых площадках имеет ряд недостатков: зависимость от атмосферных условийиспользование больших площадей, требующих ежегодного ремонтабольшие затраты ручного труда. Барабанные сушилки для досушки зерна имеют низкую производительность (0,5 т/ч на один агрегат) вследствие подачи низкотемпературного воздуха (70°С). Зерно получается плохого качества — до 30 $, не соответствует кондиции (по цвету или дегустации). При повышении температуры воздуха выше 70 °C качество зерна резко ухудшается.

В настоящее время применяется процесс сушки в каскаде из трех шахтных сушилок, причем после каждого аппарата проводится охлаждение продукта. Температура поступающего воздуха в каждую из шахт также как и в барабанной сушилке равна 70 °C. При этом способе сушки процесс несколько интенсифицируется, но количество некондиционного зерна всё ещё остается достаточно большим (23%) /I/, вследствие значительной неравномерности нагрева зерен. Таким образом, и этот способ сушки нельзя признать удовлетворительным.

Исключение неравномерности нагрева зерен достигается использованием аппаратов с взвешенным слоем, но при этом важно правильно выбрать температуру сушильного агента, исходя из допустимой температуры нагрева зерна. Эта температура выбирается на основе анализа биологических, физико-химических и др. свойств. Так, анализ химического состава зерен различных сортов кофе /2, 3, 4/ показал, что главными компонентами являются составные части целжшозы или целлюлоза, белки и жиры. Самые ценные составляющие — это кофеин и органические кислоты.

Кофеин (С-1 Н/р О^цНг.0) или его ангидрид цредставляют собой белые тонкие кристаллы с температурой начала процесса сублимации Ю0°С /5/. Органические кислоты, отделяясь в процессе обжарки, придают зерну аромат и вкус /6/. Сушка кофе должна проходить при температурах, которые не вызывают потерь кофеина и органических кислот, обусловливающих качество кофе. Таким образом, кофе — термочувствительный материал и требует тщательного выбора оптимального температурного режима процесса его сушки.

По данным работ /2, 7, 8/ зерно кофе с влажностью 60−65 $ может быть нагрето в неподвижном слое в начале процесса сушки до 75−80°С с постепенным понижением температуры до 50 °C в конце его.

При использовании установок с малоподвижным слоем начальная температура слоя может быть повышена до 90 °C с понижением до 65−70° в конечной стадии.

При сушке семенного зерна играет роль направление движения потока влаги: если поток влаги направлен изнутри к поверхности, то водорастворимые питательные вещества переносятся из эндосперма к зародышу, находящемуся в периферийных слоях зерна. В работе /9/ показано, что зерна кофе семенного назначения могут подвергаться сушке, из условия качественного их прорастания, при температуре, не превышающей 50 °C. Кофе, как и большинство пищевых продуктов, отличается большой инерционностью поля влагосодержа-ния по сравнению с инерционностью поля температуры. Поэтому значительного увеличения скорости сушки не удается достигнуть путем интенсификации внешнего теплои массообмена. С учетом всего сказанного целесообразно применение осциллирующего режима, который позволяет, во-первых, использовать высокотемпературные теплоносители, не опасаясь перегрева зерен, и, во-вторых, уменьшить отрицательное влияние термодиффузии.

Исследованию сушки пищевых продуктов во взвешенном состоянии при осциллирующих режимах посвящены работы А. С. Гинзбурга и В. А. Резчикова, И. Л. Любошица, Л. С. Слободкина, И. Ф. Пикуса, А.И.

Чернявского, З. Ю. Мезяка, А. Д. Гельперина, П. Г. Романкова, Н.Б.Раш-ковской и многих других. В результате исследований созданы методы расчета сушилок, работающих при осциллирующих режимах. Среди этих работ представляет интерес одна из немногих, посвященная сушке кофе /9/.

В данной работе все исследования проводились с увлажненным кофе и кинетические кривые, снятые в процессе сушки, не отражают реальную картину процесса сушки влажного зерна, поступаемого непосредственно после сбора его с поля. Это доказано наш в настоящей работе (см. гл.Ш). Однако то, что в работе /9/ объектом сушки являлись зерна кофе, результаты ее проведения представляют особый интерес в развитии дальнейших исследований процессов сушки данного продукта.

Следует также отметить, что при исследовании процессов сушки пищевых продуктов в режимах осциллирования находят в настоящее время црименение аппараты не только цилиндрического типа, позволяющие создать наиболее простую псевдоожиженную систему с точки зрения характера движения твердых частиц в ней, но и аппараты прямоугольного сечения с тангенсальным вводом теплоносителя, аппараты конусного типа, а также спирального и лоткового типов с наклонным под определенным углом дншцем, в которых перемещение слоя осуществляется направленным под углом потоком теплоносителя. Последние обладают большой удельной поверхностью теплообмена, высокими коэффициентами теплопередачи, позволяют регулировать кратность циркуляции материала, отмечаются простотой и надежностью, ввиду отсутствия специальных механизмов, обес-печиващих циркуляцию материала.

Таким образом, анализируя изложенное выше, в данной работе были поставлены следующие основные задачи.

I. Провести исследование процесса сушки влажных натуральных (неувлажненных) зерен кофе в псевдоожиженном слое срежимом осциллирования в различных по конструкции аппаратах. Нами были приняты аппараты цилиндрического и лоткового типов.

2. По результатам экспериментальных исследований дать анализ работы выбранных аппаратов с точки зрения их эффективности. Критерием эффективности являются время сушки, энергетические затраты и качество продукта.

3. Дать инженерный метод расчета рекомендуемого наш аппарата для сушки зерен кофе.

— У.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Предложен способ сушки зерен натурального кофе в псев-доожиженном слое при скорости интенсивного псевдоожижения в осциллирующем режиме с сохранением высокого качества высушенного зерна.

2. Предложена методика расчета гидродинамических и тегою-и массообменных процессов при сушке зерен натурального кофе в псевдоожиженном слое при симметричном осциллировании в цилиндрических сушилках периодического действия, которая и рекомендуется наш предприятиям Кубы взамен существующего там способа сушки в 3-х ступенчатой сушилкев предлагаемом нами способе сушки время пребывания зерен в аппарате примерно в 10 раз меньше, чем в применяемых на Кубе сушилках.

3. Установлено, что зерна натурального кофе являются капиллярно-пористыми веществами, ближе к чисто коллоиднымих структура существенно отлична от структуры увлажненного кофе, и поэтому увлажненные зерна кофе не являются аналогом натуральноговсе эксперименты по сушке зерна кофе необходимо проводить только с натуральным, а не увлажненным кофе.

4. Влияние температуры в сушильной камере на сушку зерна сказывается сильнее, чем влияние абсолютного давления и расход теплоносителя в нейв условиях Кубы экономически выгодным является процесс сушки при атмосферном давлении.

5. Время сушки и качество высушенного кофе существенно зависят от температуры горячего воздуха и в меньшей степени от режима осциллирования. При повышении температуры горячего воздуха от 100 до 140 °C для всех режимов уменьшается время сушки, но одновременно резко ухудшается качество кофе. Оптимальным режимом сушки зерен является режим осщллировашы= 15:15с с температурой горячего воздуха Ю0°С и холодного 45 °C.

6. С помощью теории размерностей с использованиемтеоремы найдено критериальное уравнение процесса сушки зерна натурального кофе в псевдоожиженном слое с применением симметричного осциллирования, позволяющее определить время сушки от начальной влажности 100% до конечной — 12%,.

7. Экспериментально определены коэффициенты влагопровод-ности в зависимости от влажности зерна и температуры его поверхности. Установлено, что характер этой зависимости существенно отличается от аналогичной для увлажненного кофе, а численные значения на порядок меньше, чем для увлажненного.

8. По опытным данным теплоемкости и теплопроводности зерен натурального кофе были рассчитаны коэффициенты температуропроводности их в зависимости от абсолютной влажности и температуры.

9. Изучены гидродинамические процессы сушки зерен натурального кофе в сушильном аппарате лоткового типа непрерывного действия с направленным потоком теплоносителя (воздуха). При расчете этого аппарата рекомендуются формулы (У-4),(У-5) и (У-6) для вычисления коэффициента сопротивления, полного гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя и производительности по зерну соответственно.