RU2275564C1 - Method and device for producing sublimated food products - Google Patents

Abstract

FIELD: food industry.

SUBSTANCE: method comprises extruding the initial product directly to the sublimation chamber to the zone where pressure is higher than the critical one which is caused by the vapor generated by intensive evaporation in the zone of the product supply with producing highly developed porous structure, evaporating freezing of the product in the zone of subcritical pressure, and sublimating drying in the microwave field with subsequent removing the finished product through the gate. The device comprises sublimation chamber, vertical extruder, Laval nozzle secured to the bottom section of the extruder, coaxial peripheral and central passages, and evaporator of the desublimator connected with the space around the screw pressure chamber of the extruder through the pipeline. The space is connected with the central passage of the extruder through a pipeline.

EFFECT: enhanced efficiency and reduced power consumption.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к производству сублимированных пищевых продуктов.The invention relates to the production of freeze-dried foods.

Известен способ непрерывной сублимационной сушки термолабильных материалов (Патент РФ 2187053, кл. F 26 В 7/00, 08.10.2002.), включающий образование и замораживание гранул капиллярно-пористого материала в вакууме, подсушку его в поле ИК-излучения до образования сухой коробки, из гранул с подсушенной внешней поверхностью создают слой с перемещающимися в нем сверху вниз гранулами, которые постоянно облучают в верхней части слоя полем СВЧ, и продувают снизу этот слой высушиваемого материала потоком инертного газа, например аргона, при этом остаточное давление над верхней поверхностью слоя поддерживают соответствующим температуре насыщения сублимирующихся паров, равной минимальной температуре замораживания, температура в слое на одной трети высоты от верхней поверхности не превышает криоскопической температуры продукта, температуру на нижней поверхности высушиваемого слоя материала устанавливают в потоке инертного газа не выше температуры, уменьшающей его биологическую активность по характеристическому параметру при остаточном давлении водяных паров, соответствующему криоскопической температуре замораживания материала, а при перемещении гранул в слое разницу изменения давления водяных паров между верхней и нижней поверхностью слоя оставляют постоянной в процессе непрерывной сушки материала.A known method of continuous freeze-drying of heat-sensitive materials (RF Patent 2187053, class F 26 B 7/00, 08/10/2002.), Including the formation and freezing of granules of capillary-porous material in vacuum, drying it in the field of infrared radiation to form a dry box , a pellet is created from granules with a dried outer surface, granules moving in it from top to bottom, which are constantly irradiated in the upper part of the layer with a microwave field and blown from below this layer of dried material with a stream of inert gas, such as argon, while the residual the phenomenon above the upper surface of the layer is maintained corresponding to the saturation temperature of sublimating vapors equal to the minimum freezing temperature, the temperature in the layer at one third of the height from the upper surface does not exceed the cryoscopic temperature of the product, the temperature on the lower surface of the dried material layer is set in an inert gas stream not higher than the temperature that reduces its biological activity according to the characteristic parameter at a residual water vapor pressure corresponding to cryoscopy nical freezing temperature of the material, and moving the granules in the layer changes between water vapor pressure between the upper and lower layer surface is left constant during the continuous drying material.

Недостатками известного способа являются высокие энергозатраты, связанные с повышенным расходом инертного газа и невозможностью обеспечить структуру продукта в процессе осуществления его обезвоживания с заданными свойствами с точки зрения максимальной эффективности тепло- и массообмена.The disadvantages of this method are the high energy costs associated with increased consumption of inert gas and the inability to ensure the structure of the product in the process of dehydration with the desired properties from the point of view of maximum efficiency of heat and mass transfer.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ получения сублимированных пищевых продуктов (Патент РФ 2197874, кл. А 23 L 3/44, 10.02.2003. Бюл. №4), включающий формование исходного продукта путем его выдавливания методом экструзии непосредственно в сублимационную камеру в зону с давлением выше тройной точки за счет одновременной его обработки паром под давлением выше тройной точки с образованием высокоразвитой равномерно распределенной пористой структуры, испарительное замораживание продукта в зоне с давлением ниже тройной точки и его сублимационную сушку в поле сверхвысокочастотной энергии с последующим удалением через шлюзовой затвор, при этом паровой затвор для образования зоны с давлением выше тройной точки, создается за счет паров, образованных в результате интенсивного испарения влаги в зоне подачи продукта, и устройство для его осуществления, состоящее из сублимационной камеры, вертикально расположенного экструдера, вокруг выходного отверстия которого установлена насадка в форме сопла Лаваля, обеспечивающая создание парового затвора, отделяющего зону подачи продукта в вакуум и его сублимационной сушки, снабженная источниками сверхвысокочастотной энергии с самой узкой части сопла до его нижней кромки, выносного десублиматора, имеющего испаритель.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed one is a method for producing sublimated food products (Patent of the Russian Federation 2197874, CL A 23 L 3/44, 02/10/2003. Bull. No. 4), including molding the initial product by extrusion by extrusion directly into the sublimation chamber into the zone with a pressure above the triple point due to its simultaneous treatment with steam under pressure above the triple point with the formation of a highly developed uniformly distributed porous structure, evaporative freezing of the product in not with a pressure below the triple point and its freeze-drying in the microwave energy field, followed by removal through the lock gate, while the steam lock to form a zone with a pressure above the triple point is created due to vapors formed as a result of intense evaporation of moisture in the product supply zone, and a device for its implementation, consisting of a sublimation chamber, a vertically located extruder, around the outlet of which there is a nozzle in the form of a Laval nozzle, which ensures the creation of an ara gate, separating the zone of product supply to vacuum and its freeze-drying, equipped with microwave energy sources from the narrowest part of the nozzle to its lower edge, a remote desublimator having an evaporator.

Недостатком известного способа и устройства является образование неправильной формы продукта за счет локального вспучивания и разбрызгивания при введении его с температурой более высокой, чем криоскопическая в вакуумную камеру, а также большая продолжительность процесса сублимации вследствие затрудненного отвода молекул воды из зоны сублимации, вызванного незначительной разностью температур сублимации и десублимации и, соответственно, разности парциальных давлений на поверхности продукта и в камере сушилки и что приводит к низкой скорости движения парогазовой смеси из продукта к низкотемпературной панели десублиматора.A disadvantage of the known method and device is the formation of an irregular shape of the product due to local expansion and spraying when introduced at a temperature higher than the cryoscopic temperature in the vacuum chamber, as well as the long duration of the sublimation process due to the difficult removal of water molecules from the sublimation zone caused by a slight difference in sublimation temperatures and desublimation and, accordingly, the difference in partial pressures on the surface of the product and in the chamber of the dryer and which leads to low the speed of the vapor-gas mixture from the product to the low-temperature panel of the desublimator.

Технической задачей изобретения является образование правильной формы продукта за счет введения его в вакуумную камеру с температурой, близкой к криоскопической, а также малая продолжительность процесса сублимации вследствие облегченного отвода молекул воды из зоны сублимации в связи с высокой разностью температур сублимации и десублимации и, соответственно, большой разностью парциальных давлений на поверхности продукта и в камере сушилки и увеличение скорости движения парогазовой смеси из продукта к низкотемпературной панели десублиматора.An object of the invention is the formation of the correct form of the product by introducing it into a vacuum chamber with a temperature close to cryoscopic, as well as the short duration of the sublimation process due to the facilitated removal of water molecules from the sublimation zone due to the high difference in sublimation and desublimation temperatures and, accordingly, a large the difference in partial pressures on the surface of the product and in the chamber of the dryer and the increase in the speed of movement of the vapor-gas mixture from the product to the low-temperature panel des blimatora.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения сублимированных пищевых продуктов, включающем формование исходного продукта путем его выдавливания методом экструзии непосредственно в сублимационную камеру в зону с давлением выше тройной точки, создаваемым за счет паров, образованных в результате интенсивного испарения влаги в зоне подачи продукта с получением высокоразвитой пористой его структуры, испарительное замораживание продукта в зоне с давлением ниже тройной точки, сублимационную сушку в поле сверхвысокочастотной энергии с последующим удалением готового продукта через шлюзовой затвор, новым является то, что в процессе выдавливания методом экструзии продукт одновременно охлаждается в экструдере до температуры выше криоскопической отработанными при десублимации парами азота, при этом подачу продукта в сублимационную камеру производят по коаксиальному периферийному каналу, с последующим образованием подмороженного каркаса продукта путем охлаждения его внутренней поверхности парами азота, подаваемыми по центральному коаксиальному каналу во внутреннюю полость продукта с температурой ниже криоскопической температуры продукта, но выше температуры сублимации.The problem is achieved in that in a method for producing freeze-dried food products, including forming the initial product by extrusion by extrusion directly into a sublimation chamber into a zone with a pressure above a triple point created by vapors formed as a result of intense evaporation of moisture in the product feed zone with obtaining its highly developed porous structure, evaporative freezing of a product in an area with a pressure below a triple point, freeze-drying in a microwave field of energy, followed by removal of the finished product through the gate valve, it is new that during extrusion by extrusion the product is simultaneously cooled in an extruder to a temperature above the cryoscopic nitrogen vapor exhausted during desublimation, while the product is supplied to the sublimation chamber through a coaxial peripheral channel, with the subsequent formation of a frozen frame of the product by cooling its inner surface with nitrogen vapor supplied through a central coaxial channel the inner cavity of the product at a temperature below the cryoscopic product temperature, but above the sublimation temperature.

В устройстве для осуществления способа получения сублимированных пищевых продуктов, состоящем из сублимационной камеры, вертикально расположенного экструдера, к нижней части которого вокруг выходного отверстия установлена насадка в форме сопла Лаваля, обеспечивающая создание парового затвора, отделяющего зону подачи продукта в вакуум и зону его сублимационной сушки и снабженная источниками сверхвысокочастотной энергии от самой узкой части сопла до его нижней кромки, выносного десублиматора, имеющего испаритель, новым является то, что экструдер имеет коаксиальный периферийный и центральный каналы, а испаритель десублиматора соединен трубопроводом с полостью, расположенной вокруг шнековой нагнетательной камеры экструдера, причем полость соединена трубопроводом с центральным каналом экструдера.In the device for implementing the method of producing sublimated food products, consisting of a freeze-drying chamber, a vertically arranged extruder, to the lower part of which a nozzle in the form of a Laval nozzle is installed around the outlet, providing a steam shutter separating the feed zone into the vacuum and the freeze-drying zone and equipped with sources of microwave energy from the narrowest part of the nozzle to its lower edge, a remote desublimator having an evaporator, new is that the extruder has a coaxial peripheral and central channels, and the desublimator evaporator is connected by a pipe to a cavity located around the screw discharge chamber of the extruder, the cavity being connected by a pipe to the central channel of the extruder.

Технический результат заключается в получении продукта правильной формы за счет введения его в вакуумную камеру с температурой, близкой к криоскопической, а также интенсификация процесса сублимации вследствие облегченного отвода молекул воды из зоны сублимации в связи с высокой разностью температур сублимации и десублимации и, соответственно, большой разностью парциальных давлений на поверхности продукта и в камере сушилки и увеличение скорости движения парогазовой смеси из продукта к низкотемпературной панели десублиматора.The technical result consists in obtaining the product of the correct form by introducing it into a vacuum chamber with a temperature close to cryoscopic, as well as the intensification of the sublimation process due to the facilitated removal of water molecules from the sublimation zone due to the high difference in sublimation and desublimation temperatures and, accordingly, a large difference partial pressures on the surface of the product and in the dryer chamber and an increase in the speed of movement of the vapor-gas mixture from the product to the low-temperature panel of the desublimator.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления способа получения сублимированных пищевых продуктов с использованием паров азота, на фиг.2 - схема ввода продукта в вакуумную камеру сублимационной сушилки, на фиг.3 - срез жгута продукта по А-А, на фиг.4 - схема процесса тепло- и массообмена в зоне сублимации.Figure 1 presents a diagram of a device for implementing the method of producing sublimated food products using nitrogen vapor, figure 2 is a diagram of the introduction of the product into the vacuum chamber of a freeze dryer, figure 3 is a slice of the bundle of the product according to aa, figure 4 - diagram of the process of heat and mass transfer in the sublimation zone.

Устройство (фиг.1) для осуществления способа получения сублимированных пищевых продуктов с использованием паров азота состоит из сублимационной камеры 1, вертикально расположенного экструдера 2, имеющего шнековую нагнетательную камеру 3, вокруг которой имеется полость 4 с винтообразными каналами, выносного десублиматора 5 с испарителем 6.The device (figure 1) for implementing the method of producing sublimated food products using nitrogen vapor consists of a freeze-drying chamber 1, a vertically arranged extruder 2, having a screw discharge chamber 3, around which there is a cavity 4 with screw channels, a remote desublimator 5 with an evaporator 6.

Внутри сублимационной камеры 1 к нижней части экструдера 2 вокруг его выходного отверстия установлена насадка 7 в форме сопла Лаваля, обеспечивающая создание парового затвора, отделяющего зоны подачи продукта в вакуум и его сублимационной сушки, снабженная источниками 8 сверхвысокочастотной энергии с самой узкой части сопла до его нижней кромки. При этом экструдер 2 имеет коаксиальный периферийный 9 и центральный 10 каналы (фиг.2), а испаритель 6 десублиматора 5 соединен трубопроводом 11 с полостью 4 (фиг.1). Причем полость 4 в свою очередь соединена трубопроводом 12 с центральным каналом 10 экструдера 2 (фиг.1, 2).Inside the sublimation chamber 1, a nozzle 7 in the form of a Laval nozzle is installed around the outlet of the extruder 2, providing a steam shutter separating the product supply zone into the vacuum and its freeze-drying, equipped with microwave sources 8 from the narrowest part of the nozzle to its lower part edges. In this case, the extruder 2 has a coaxial peripheral 9 and a central 10 channels (figure 2), and the evaporator 6 of the desublimator 5 is connected by a pipe 11 with a cavity 4 (figure 1). Moreover, the cavity 4, in turn, is connected by a pipe 12 to the Central channel 10 of the extruder 2 (Fig.1, 2).

Способ получения сублимированных пищевых продуктов с заданными свойствами осуществляется следующим образом.A method of obtaining sublimated food products with desired properties is as follows.

Исходный продукт (фиг.1) подается в загрузочное устройство предварительно включенного экструдера 2. При этом выдавливание продукта методом экструзии производят по коаксиальному периферийному каналу 9 (фиг.2).The initial product (Fig. 1) is fed into the loading device of a pre-connected extruder 2. In this case, extrusion of the product by extrusion is carried out through a coaxial peripheral channel 9 (Fig. 2).

Во время прохождения в экструдере 2 продукт, во избежание разбрызгивания при испарительном замораживании, охлаждается парами азота, поступающими из испарителя 6 десублиматора 5 до температуры, близкой к криоскопической. После выхода продукта из канала 9 происходит образование подмороженного каркаса (фиг.3) путем охлаждения внутренней его поверхности парами азота с температурой ниже криоскопической температуры продукта (например -1-(-2)°С для растительного экстракта из Каркадэ), но выше температуры сублимации (например (-35)-(-45)°С), подаваемыми по центральному коаксиальному каналу 10 (фиг.2). В процессе тепло- и массообмена (фиг.4) паров азота с продуктом происходит их нагрев, в результате чего они выступают в качестве теплоносителя (так как их температура выше температуры сублимации) и транспортера влаги (так как их скорость движения в вакууме быстрее, чем молекул воды).While passing through the extruder 2, the product is cooled by nitrogen vapor coming from the evaporator 6 of the desublimator 5 to a temperature close to cryoscopic to avoid spraying during evaporative freezing. After the product leaves channel 9, a frostbitten skeleton is formed (Fig. 3) by cooling its inner surface with nitrogen vapor with a temperature below the cryoscopic temperature of the product (for example, -1 - (- 2) ° С for a plant extract from Karkade), but above the sublimation temperature (for example (-35) - (- 45) ° C) supplied through the central coaxial channel 10 (figure 2). In the process of heat and mass transfer (Fig. 4), nitrogen vapors with the product are heated, as a result of which they act as a heat carrier (since their temperature is higher than the sublimation temperature) and a moisture transporter (since their speed in vacuum is faster than water molecules).

С целью предотвращения замерзания продукта при выходе из канала 6 экструдера 2 дальнейший ввод продукта (экструдата) в сублимационную камеру осуществляют через внутренний канал насадки 7, выполненной в форме сопла Лаваля и расположенной в сублимационной камере 1. В этом случае экструдат поступает в зону с давлением выше тройной точки. Далее продукт после преодоления самой узкой части сопла 7 перемещается в зону с давлением ниже тройной точки устройства, где происходит процесс самозамораживания. Полученный жгут продукта при этом приобретает форму трубы (фиг.4), внутри которой инертный носитель (пары азота) имеет возможность перемещаться, доставляя энергию, необходимую для проведения процесса сублимации, и уносить сублимированную влагу, проходя через слой продукта. Конвективный нагрев и прохождение паров азота через слой продукта позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, так как градиенты температуры и влажности совпадают по направлению.In order to prevent freezing of the product when leaving the channel 6 of the extruder 2, the further introduction of the product (extrudate) into the sublimation chamber is carried out through the internal channel of the nozzle 7, made in the form of a Laval nozzle and located in the sublimation chamber 1. In this case, the extrudate enters the zone with a pressure above triple point. Further, the product, after overcoming the narrowest part of the nozzle 7, moves to the zone with pressure below the triple point of the device, where the self-freezing process takes place. The resulting product bundle in this case takes the form of a tube (Fig. 4), inside which an inert carrier (nitrogen vapor) is able to move, delivering the energy necessary for the sublimation process, and carry away the freeze-dried moisture passing through the product layer. Convective heating and the passage of nitrogen vapor through the product layer allows you to intensify the processes of heat and mass transfer, since the temperature and humidity gradients coincide in direction.

Параллельно с испарительным замораживанием экструдата продукт подвергают сублимационной сушке в зоне действия источников СВЧ-энергии (магнетронов) 8 с окончательным образованием высокоразвитой пористой структуры за счет интенсивного сублимирования влаги. Сублимированная влага вместе с неконденсирующимися газами откачиваются вакуум-насосом (не показан) через десублиматор 5, криопанели (испаритель 6) которого охлаждаются за счет испарения жидкого азота и перегрева его паров.In parallel with the evaporative freezing of the extrudate, the product is freeze-dried in the zone of action of microwave energy sources (magnetrons) 8 with the final formation of a highly developed porous structure due to intense sublimation of moisture. Sublimated moisture along with non-condensable gases is pumped out by a vacuum pump (not shown) through a desublimator 5, the cryopanels (evaporator 6) of which are cooled by evaporation of liquid nitrogen and overheating of its vapor.

Таким образом, предлагаемый способ имеют следующие преимущества:Thus, the proposed method have the following advantages:

- осуществление сублимации влаги из экструдата в сверхвысокочастотном поле с его одновременным испарительным замораживанием и использованием инертного носителя значительно ускоряет процесс сублимационной сушки и позволяет снизить энергозатраты на ее проведение за счет исключения энергоемкой холодильной машины, обеспечивающей низкую температуру на панели десублиматора;- the implementation of the sublimation of moisture from the extrudate in a microwave field with its simultaneous evaporative freezing and the use of an inert carrier significantly accelerates the process of freeze-drying and allows to reduce energy costs for its implementation by eliminating the energy-intensive refrigeration machine, providing a low temperature on the desublimator panel;

- использование сочетания СВЧ-энергии и энергии паров азота дает возможность значительно увеличить градиент температуры по слою продукта, причем этот градиент направлен в ту же сторону, что и градиенты влаги и давления;- the use of a combination of microwave energy and nitrogen vapor energy makes it possible to significantly increase the temperature gradient along the product layer, and this gradient is directed in the same direction as the moisture and pressure gradients;

- получение жгута в форме трубы дает возможность равномерной доставки паров азота к продукту на всем протяжении процесса сушки;- obtaining a bundle in the form of a pipe enables uniform delivery of nitrogen vapor to the product throughout the drying process;

- более качественное разделение паров воды и неконденсирующихся газов в десублиматоре за счет более низкой температуры криопанелей позволяет значительно увеличить срок службы вакуум-насоса.- better separation of water vapor and non-condensable gases in the desublimator due to the lower temperature of the cryopanels can significantly increase the life of the vacuum pump.

- позволяет обеспечить образование правильной цилиндрической формы продукта, исключая тем самым его локальное вспучивание- allows you to ensure the formation of the correct cylindrical shape of the product, thereby eliminating its local expansion

Claims (2)

1. Способ получения сублимированных пищевых продуктов, включающий формование исходного продукта путем его выдавливания методом экструзии непосредственно в сублимационную камеру в зону с давлением выше тройной точки, создаваемым за счет паров, образованных в результате интенсивного испарения влаги в зоне подачи продукта с получением высокоразвитой пористой его структуры, испарительное замораживание продукта в зоне с давлением ниже тройной точки, сублимационную сушку в поле сверхвысокочастотной энергии с последующим удалением готового продукта через шлюзовой затвор, отличающийся тем, что в процессе выдавливания методом экструзии продукт одновременно охлаждается в экструдере до температуры выше криоскопической отработанными при десублимации парами азота, при этом подачу продукта в сублимационную камеру производят по коаксиальному периферийному каналу с последующим образованием подмороженного каркаса продукта путем охлаждения его внутренней поверхности парами азота, подаваемыми по центральному коаксиальному каналу во внутреннюю полость продукта с температурой ниже криоскопической температуры продукта, но выше температуры сублимации.1. A method of producing sublimated food products, including molding the initial product by extrusion directly into a sublimation chamber into a zone with a pressure above a triple point created by vapors generated as a result of intense evaporation of moisture in the product supply zone to obtain a highly developed porous structure , evaporative freezing of the product in an area with a pressure below the triple point, freeze-drying in a microwave energy field with subsequent removal is ready of the product through a sluice gate, characterized in that during extrusion by extrusion, the product is simultaneously cooled in an extruder to a temperature higher than the cryoscopic nitrogen vapor exhausted during desublimation, while the product is supplied to the sublimation chamber through a coaxial peripheral channel with the subsequent formation of a frozen product frame by cooling its inner surface by nitrogen vapor supplied through a central coaxial channel to the internal cavity of the product from temperatures below the cryoscopic temperature of the product, but above sublimation temperature. 2. Устройство для осуществления способа получения сублимированных пищевых продуктов, состоящее из сублимационной камеры, вертикально расположенного экструдера, к нижней части которого вокруг выходного отверстия установлена насадка в форме сопла Лаваля, обеспечивающая создание парового затвора, отделяющего зону подачи продукта в вакуум и зону его сублимационной сушки, и снабженная источниками сверхвысокочастотной энергии от самой узкой части сопла до его нижней кромки, выносного десублиматора, имеющего испаритель, отличающееся тем, что экструдер имеет коаксиальный периферийный и центральный каналы, а испаритель десублиматора соединен трубопроводом с полостью, расположенной вокруг шнековой нагнетательной камеры экструдера, причем полость соединена трубопроводом с центральным каналом экструдера.2. A device for implementing the method of producing sublimated food products, consisting of a freeze-drying chamber, a vertically arranged extruder, to the lower part of which a nozzle in the form of a Laval nozzle is installed around the outlet, providing a steam shutter separating the feed zone of the product into vacuum and the freeze-drying zone and equipped with sources of microwave energy from the narrowest part of the nozzle to its lower edge, a remote desublimator having an evaporator, characterized in that the extruder has a coaxial peripheral and central channels, and the desublimator evaporator is connected by a pipe to a cavity located around the screw discharge chamber of the extruder, the cavity being connected by a pipe to the central channel of the extruder.

Images