Комп'ютерно-інтегрована інтелектуальна система автоматичного керування процесом сушіння жовтків пташиних яєць на підприємстві "Овостар" з використанням КТЗ Schneider Electric

Abstract

Актуальність теми. З винаходом технологій переробки яєць в сухі яєчні продукти (ЯП) харчова промисловість отримала можливість заготовляти вміст яєць і зберігати його, використовуючи тоді, коли виникає потреба, а не за фактом наявності або відсутності свіжих яєць. До сухих яйцепродуктів відносять білковий яєчний порошок, сухий яєчний жовток, сухий меланж, а також сухий омлет – білки і жовтки в суміші з суцільним або знежиреним молоком. Вони мають цілий ряд переваг в порівнянні з замороженими яйцепродуктами і вже тим більше - свіжими яйцями. Їх можна довго зберігати без холодильників, їх зручно використовувати в кондитерській промисловості, в громадському харчуванні і для інших кулінарних потреб. У сухому яєчному порошку не розвиваються мікроорганізми: вони гинуть під час сушки яєчної маси. Спростилася структура перевезень. За оцінками міжнародних транспортних агентств, в залежності від країни економія витрат на логістику при використанні громадським харчуванням сухих ЯП замість рідких і заморожених становить 25-35%, а замість сирих яєць - 70-80% [40]. Для отримання яєчного порошку використовують цілі столові яйця, а також яйця з пошкодженою шкаралупою, але без ознак течі, з терміном зберігання не більше доби після знесення, дрібні яйця і морожений меланж після розморожування. Орієнтовна норма виходу яєчного порошку вологістю 17% становить 27,4% використаної яєчної маси. Харчові властивості порошку майже не відрізняються від курячих яєць. Калорійність яєчного порошку становить 542 ккал на 100 г продукту, що еквівалентно 8 великим яйцям [35]. Сухі ЯП діляться на дві підгрупи: для промислового споживача (кондитерська, м’ясна продукція, хлібобулочна, м’ясна і інші галузі) і для домашнього господарства, а також громадського харчування. У харчовій промисловості сухі ЯП затребувані при виробництві хлібобулочних і кондитерських виробів, майонезів, соусів. До складу майонезів і соусів входить до 8% яєчного порошку або сухого жовтка. Попит на ці продукти постійно збільшується [36]. Також в числі споживачів яєчного порошку і сухого яєчного білка - виробники варених ковбас і сосисок. За даними Міжнародної програми розвитку птахівництва, частка м’ясних продуктів, виготовлених з використанням яєчного білка, збільшується на 2-3% в рік. Крім того, сухі ЯП з білків (альбумін) кондитери застосовують для створення гелів, безе, зефіру і суфле. Яєчна продукція використовується в індустрії HoReCa (готелі, ресторани, кафе) для приготування сендвічів і салатів. Сухі ЯП затребувані фастфудом і іншими компаніями громадського харчування. Там з яєчного порошку, розчиняючи його в молоці, готують яєчню і омлет. У закладах громадського харчування яєчний порошок може повністю замінити сирі яйця в багатьох рецептах. З порошку готують омлети, підливи, його додають в тісто для млинців і здобної випічки, соуси, кляр для обсмажування риби, м’яса і овочів [18]. У різних регіонах світу до переробки курячих яєць в сухі і рідкі продукти підходять дуже по-різному. Наприклад, за даними FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations - Продовольчої організації ООН), країни ЄС переробляють близько 50% вироблених яєць, США - близько 30-35%, Японія - понад 50%, а країни пострадянського простору - тільки близько 10-12%. Основна причина застосування технологій глибокої переробки яйця - необхідність згладжування сезонних коливань. Після Великодня, з кінця квітня - початку травня, попит на товарні яйця різко падає. Підприємства, які використовують цю технологію, виробляють з надлишків яйця, наприклад, порошковий меланж, займаючи тим самим нові ніші ринку і отримуючи прибуток від продажу продуктів глибокої переробки. Виробництво яєчних продуктів в світі стабільно зростає. Темпи зростання виробництва сухих ЯП перевищують темпи приросту рідких через зручності використання. У 2009 р. в усьому світі було вироблено 829 тис.т. сухих ЯП, у 2015 р. - 1 млн.т., у 2018 р. - 1,2 млн.т. Прогноз компанії Pro-Consulting на 2024 р. - 1,3млн.т, на 2025 - 1,37млн.т., на 2026 - 1,44млн.т. [40]. В Європі та Америці споживають більше ЯП на душу населення, але країни Азії наздоганяють їх швидкими темпами. На думку експертів, попит на ЯП зростає насамперед за рахунок їх застосування в харчовій промисловості. Тут важливо зручність зберігання: рідкі ЯП зберігаються в холоді 27-36 днів, а сухі можна зберігати до двох років [37]. В ЄС в п’ятірку найбільших імпортерів сухих яєчних продуктів входять Німеччина (23% від загального обсягу імпорту в грошовому еквіваленті), Великобританія (15%), Франція (10%), Нідерланди (8%) і Бельгія (6%). Хоча імпортні поставки йдуть в основному усередині ЄС, в 2018 р спостерігалося зростання поставок сухих ЯП з третіх країн - він склав 9% від загального обсягу імпорту в грошовому вираженні (ще в 2016 р було 7%). В Україні масштабне промислове виробництво ЯП почалося в 2005 р і за останні 10 років зросла в 3,6 рази. При цьому з самого початку виробництво яєчних продуктів в Україні спиралося на зовнішній попит, оскільки внутрішнього ринку практично не існувало. Більшість підприємств використовували яйця в шкаралупі, і зараз йде поступове освоєння технологій і формування попиту на ЯП на внутрішньому ринку. З 2009 по 2019 рр. випуск сухих яєчних продуктів в Україні зріс з 4,2 тис. до 11,9 тис. т (прогноз на поточний рік), відзначають в Pro-Consulting. Але це зростання було дуже нерівним: пікові обсяги були зафіксовані в 2013-2014 рр., Потім сировинна база скоротилася через втрату ряду птахофабрик в Криму і на сході України, що призвело до скорочення виробництва ЯП [40]. Традиційно для реалізації процесу сушіння в яйцепереробній промисловості застосовують конвективні розпилювальні сушильні установки або сушарки з киплячим в потоці сушильного агента шаром інертних тіл на поверхню яких розпорошується продукт. Дані типи сушильного обладнання мають високий технічний рівень, який базується на сформованій потужної машинобудівельної та науково-технічній базі. При розпилювальній сушці продукт тонко диспергується на частки в потік теплоносія, при цьому істотно збільшується поверхня контакту фаз і, як наслідок, значно підвищується інтенсивність тепломасообмінних процесів. Специфічні особливості сушіння розпиленням обумовлюють ряд характерних гідних цього способу: висока якість висушуваного продукту і відсутність його перегріву в результаті інтенсивного випаровування і короткострокового контакту з сушильним агентом; готовий порошковий продукт не вимагає подрібнення і має високу розчинність та ін. Беручи до уваги, що збільшуються обсяги випуску сухих яєчних продуктів, очевидно, що впровадження рекомендацій щодо вдосконалення стадії сушки призведе до відчутних економічних вигод виробників. Проведення додаткових комплексних досліджень з метою вибору раціональних способу і режимів зневоднення, типу і конструктивних особливостей сушильного апарату, які забезпечують відповідні техніко-економічні показники, актуально і вимагає наукового підходу з урахуванням специфіки технології і властивостей сировини та вимог до кінцевої продукції. Вдосконаленню процесів сушіння приділяється велика увага, так як саме ця стадія досить енергоємна, а, отже, в значній мірі визначає вартість готового продукту і, крім того, має суттєвий вплив на якісні показники товарної продукції. Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вдосконалення процесу сушіння яєчних продуктів шляхом комплексного дослідження процесів тепломасообміну, розробки раціональних режимів зневоднення і конструкції сушильної установки. Відповідно до поставленої мети вирішуються наступні завдання: 1. Визначити перспективні напрями вдосконалення тепломассообміну при сушінні яєчних продуктів на основі аналізу способів сушки і конструкторських рішень для їх здійснення з урахуванням енергетичних витрат, інтенсивності процесу і вимог до сировини та якості готового продукту. 2. Комплексно дослідити об’єкти сушки, вивчивши експериментально і на основі узагальнення відомих літературних даних їх морфологічні,теплофізичні і гігроскопічні характеристики, а також проаналізувати термодинамічні закономірності статичної взаємодії яєчних продуктів з водою. 3. Виявити особливості механізму внутрішнього тепломассопереносу при сушінні яєчних продуктів на основі дослідження кінетики сушіння. 4. Експериментально обґрунтувати раціональні способи зневоднення яєчних продуктів і виявити вплив основних факторів на процес сушіння, отримати розрахункові залежності кінетики вологовидалення і питомої продуктивності сушарки від факторів, що впливають для їх використання в інженерних розрахунках при проектуванні сушарок. 5. Розробити і чисельно реалізувати математичну модель процесу розпилювального сушіння яєчних продуктів для розрахунку еволюції температурних полів у продуктах при зневодненні. 6. Розробити алгоритм отримання комбінованих раціональних режимів 2-х зонної розпилювальної сушки при активній нестаціонарної аеродинамічній обстановці взаємодії потоків в сушильній камері. 7. На основі аналізу результатів комплексу проведених експериментально-аналітичних досліджень по інтенсифікації тепломасообміну з урахуванням цільового дослідження даних науково-технічної літератури запропонувати конструкторські рішення для реалізації розроблених режимів сушки. Об’єктом дослідження є процес сушіння яєчних продуктів у сушарках розпилювального типу. Предметом дослідження є взаємозв’язки і закономірності процесів керування енергетичними потоками і режимів сушіння на енергоефективність виробництва сухих яєчних продуктів у розпилювальних сушарках. Методи дослідження. Дослідження виконані методами фізичного, математичного моделювання та теорії подібності, проведення експерименту з статистичною обробкою результатів. Експерименти здійснювались на установках для розпилювального сушіння, обладнаних сучасними методами керування та вимірювання. Для аналітичного дослідження використовувалось програмне забезпечення Matlab, MathCad 15, Excel.