Аннотация

Применение микроволнового подвода энергии в процессе выпаривания позволяет получить продукты с более высокими концентрациями сухих веществ и более высокого качества по сравнению с другими методами концентрирования и традиционными выпарными аппаратами. Несмотря на эффективность процесса микроволнового выпаривания, отсутствуют методы проектирования промышленных установок для его реализации. Цель исследования заключалась в определении конструктивных и режимных параметров рабочего модуля микроволновой вакуум-выпарной установки.
Для концентрирования соков предложили использовать микроволновую вакуум-выпарную установку (МВВУ) модульного типа с модулями цилиндрической формы. В основе расчета высоты жидкой фазы МВВУ лежит учет динамики образования и роста паровых пузырьков во всем объеме жидкой фазы. Высота паровой зоны модуля определяется из учета обеспечения минимального объема парового сепаратора.
При рабочем давлении в модуле 7,4 кПа минимальный радиус парового пузырька составил 5,6×10^–5 м. На высоте 42 мм над уровнем зарождения паровых пузырьков наблюдалось 100 % паросодержание. Усредненная суммарная высота уровня жидкой фазы над излучателем составила 26 мм, что превышает глубину проникновения излучения в жидкость. Выполненные исследования легли в основу алгоритма расчета конструктивных и режимных параметров рабочего модуля МВВУ и разработанного типоразмерного ряда модулей с мощностями излучателей от 600 то 3000 Вт. Для модулей диаметром 150 мм высота паровой зоны составила 43–80 мм, высота переходной парожидкостной зоны – 9–16 мм. Высота зоны кипения лежит в пределах 45–60 мм.
Предложенные методики позволяют проектировать модульные МВВУ заданной производительности с использованием всего диапазона мощностей промышленно выпускаемых излучателей с воздушным охлаждением. Однако целесообразно использовать модули мощностью до 1100 Вт на финальной стадии процесса концентрирования продуктов до концентраций 60–80 % и более.

Ключевые слова

СВЧ-поле, паросодержание, кипение, сок, концентрат, металлоемкость, перегрев, парообразование, сепарация

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена на базе Института «Агротехнологическая академия» Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского (КФУ им. В. И. Вернадского ) в рамках госбюджетной темы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tabakaev AV, Tabakaeva OV, Prikhodko YuV. Functional instant beverages. Foods and Raw Materials. 2023;11(2):187–196. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-2-565
2. Reznichenko IYu, Frolova NA, Kuchebo VV, Turov SV. Syrups in sugar confectionery products of high nutritional value. Food Processing: Techniques and Technology. 2019;49(1):62–69. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-1-62-69
3. Ojileh PC, Okechukwu QN. Value-added zobo drink with date juice. Food Processing: Techniques and Technology. 2023;53(3):545–553. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-3-2453
4. Shalunov AV, Khmelev VN, Terentiev SA, Nesterov VA, Golykh RN. Ultrasonic dehydration of food products with moisture removal without phase transition. Food Processing: Techniques and Technology. 2021;51(2):363–373. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-2-363-373
5. Гаврилов А. В. Исследование энерготехнологий процессов обезвоживания растительного сырья // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2018. Т. 179. № 16. С. 82–89. https://elibrary.ru/MJXFAL
6. Концентрирование экстрактов стевии в микроволновой вакуум-выпарной установке / О. Г. Бурдо [и др.] // Научные труды Одесской национальной академии пищевых технологий. 2015. Т. 47. № 2. С. 67–70. https://elibrary.ru/YGUYAP
7. Способ и установка для концентрирования кислот: пат. 2651253C1 Рос. Федерация. № 2016141084 / Джангирян В. Г. [и др.]; заявл. 19.10.2016; опубл. 18.04.2018. Бюл. № 11. 25 с.
8. Применение СВЧ-излучения для концентрирования серной кислоты в вакууме / А. С. Сёмочкин [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 8. С. 410–411. https://elibrary.ru/MVNDYV
9. Li H, Zhao Z, Xiouras C, Stefanidis GD, Li X, Gao X. Fundamentals and applications of microwave heating to chemicals separation processes. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019;114. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109316
10. Liu K, Zhao Z, Li H, Gao X. Microwave-induced vapor-liquid mass transfer separation technology – full of breakthrough opportunities in electrified chemical processes. Current Opinion in Chemical Engineering. 2023;39. https://doi.org/10.1016/j.coche.2022.100890
11. Ge X. Experimental study on concentrating apple juice by microwave. Advance Journal of Food Science and Technologies. 2014;6(4):544–546. https://doi.org/10.19026/ajfst.6.70
12. Yousefi S, Emam-Djomeh Z, Mousavi SMA, Askari GR. Comparing the effects of microwave and conventional heating methods on the evaporation rate and quality attributes of pomegranate (Punica granatum L.) juice concentrate. Food and Bioprocess Technology. 2012;5:1328–1339. https://doi.org/10.1007/s11947-011-0603-x
13. Dinçer C, ÇAM İB, TORUN M, Başünal Gülmez H, TOPUZ A. Mathematical modeling of concentrations of grape, pomegranate and black carrot juices by various methods. The Journal of Food. 2019;44(6):1092–1110. https://doi.org/10.15237/gida.GD19080
14. Bozkir H, Baysal T. Concentration of apple juice by vacuum microwave evaporator and in comparison to rotary evaporator. Journal of Food Processing and Technology. 2017;8(9):128. https://doi.org/10.4172/2157-7110-C1-069
15. Bozkir H, Baysal T. Concentration of apple juice using a vacuum microwave evaporator as a novel technique: Determination of quality characteristics. Journal of Food Process Engineering. 2017;40(5). https://doi.org/10.1111/jfpe.12535
16. Dinçer C. Effect of intermittent microwave vacuum concentration on quality parameters of apple juice and sour cherry nectar and mathematical modeling of concentration. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 2021;55(3):175–196. https://doi.org/10.1080/08327823.2021.1952837
17. Lohrasbi-Nejad S, Shahedi M, Fathi M. Comparative study of microwave-assisted vacuum evaporation, microwave-assisted evaporation, and conventional evaporation methods on physicochemical properties of barberry juice. Journal of Agricultural Science and Technology. 2021;23(2):307–317.
18. Chua LS, Leong CY. Effects of microwave heating on quality attributes of pineapple juice. Journal of Food Processing and Preservation. 2020;44(10). https://doi.org/10.1111/jfpp.14786
19. Kumar A, Shrivastava SL. Temperature, concentration, and frequency dependent dielectric properties of pineapple juice relevant to its concentration by microwave energy. Journal of Food Process Engineering. 2019;42(3). https://doi.org/10.1111/jfpe.13013
20. Bozkir H, Tekgül Y. Production of orange juice concentrate using conventional and microwave vacuum evaporation: Thermal degradation kinetics of bioactive compounds and color values. Journal of Food Processing and Preservation. 2022;46(6). https://doi.org/10.1111/jfpp.15902
21. Трушечкин А. В. Научное обеспечение процесса двухстадийного вакуум-выпаривания поликомпонентных овощных смесей и разработка оборудования для его реализации: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.18.12. Воронеж, 2013. 18 с.
22. Tao Y, Yan B, Zhang N, Wang M, Zhao J, Zhang H, et al. Microwave vacuum evaporation as a potential technology to concentrate sugar solutions: A study based on dielectric spectroscopy. Journal of Food Engineering. 2021;294. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110414
23. Asghar MT, Yusof YA, Mokhtar MN, Yaacob ME, Ghazali HM, Varith J, et al. Processing of coconut sap into sugar syrup using rotary evaporation, microwave and open heat evaporation techniques. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2020;100(10):4012–4019. https://doi.org/10.1002/jsfa.10446
24. Alvi T, Khan MKI, Maan AA, Nazir A, Ahmad MH, Khan MI, et al. Modelling and kinetic study of novel and sustainable microwave-assisted dehydration of sugarcane juice. Processes. 2019;7(10). https://doi.org/10.3390/pr7100712
25. Tao Y, Yan B, Zhang N, Wang M, Zhao J, Zhang H, et al. Microwave vacuum evaporation as a potential technology to concentrate sugar solutions: A study based on dielectric spectroscopy. Journal of Food Engineering. 2021;294. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110414
26. Tao Y, Yan B, Zhang N, Zhao J, Zhang H, Chen W, et al. Decoupling thermal effects and possible non-thermal effects of microwaves in vacuum evaporation of glucose solutions. Journal of Food Engineering. 2023;338. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111257
27. Burdo OG, Gavrilov AV, Sirotyuk IV, Ruzhitskaya NV, Goncharov DS. Electrodynamic apparatuses for solutions’ concentration. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022;58(3):290–298. https://doi.org/10.3103/S1068375522030073
28. Устройство микроволновой вакуум-выпарной установки непрерывного действия: пат. 213932U1 Рос. Федерация. № 2022111823 / Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В.; заявл. 28.04.2022; опубл. 05.10.2022. Бюл. № 28. 6 с.
29. Vankatesh MS, Raghavan GSV. An overview of microwave processing and dielectric properties of agri-food materials. Biosystems Engineering. 2004;88(1):1–18. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2004.01.007
30. Кутепов А. М., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986. 447 с.
31. Burdo OG, Trishyn FA, Terziev SG, Gavrilov AV, Sirotyuk IV. Electrodynamic processes as an effective solution of food industry problems. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2021;57(3):330–344. https://doi.org/10.3103/S1068375521030030
32. Burdo OG, Gavrilov AV, Sirotyuk IV, Ruzhitskaya NV, Goncharov DS. Electrodynamic apparatuses for solutions’ concentration. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022;58(3):290–298. https://doi.org/10.3103/S1068375522030073
33. Gavrilov AV. Experimental modeling of the vaporization of liquid solutions under vacuum and microwave field conditions. Vestnik of Federal State Educational Establishment of Higher Professional Education “Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin”. 2020;95(1):41–50. (In Russ.). https://doi.org/10.34677/1728-7936-2020-1-41-50
34. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М.: Альянс, 2011. 752 с.
35. Экспериментальное исследование динамики пузырьков воздуха в воде при быстрой декомпрессии / Б. В. Борц [и др.] // Журнал Харьковского университета. Физическая серия: Ядра, Частицы, Поля. 2012. Т. 991. № 1. С. 95–101.
36. Емец Б. Г. Определение методом ядерного магнитного резонанса средних размеров и концентраций воздушных пузырьков, содержащихся в воде // Письма в журнал технической физики. 1997. Т. 23. № 13. С. 42–45. https://elibrary.ru/RYNFPZ