Сублимационное высушивание как технология консервирования биообъектов в щадящих температурных режимах нашла достаточно широкое применение в европейских странах, США, Китае. Сублимационную сушку используют в пищевой промышленности, в производстве широкого спектра лекарственных средств, ферментов, заквасок и т.д.

В мире сформировались и успешно работают крупные фирмы, выпускающие установки для сублимационной сушки. Примерами являются: «Вакутек», «Кляйн» (Германия), «Хето» (Дания), «Киова» (Япония), «Стоке» (США), «Юзифруа» (Франция) и др. [23].

В России и странах СНГ сублимационная сушка наиболее широко применяется в медицинской промышленности. По нашим оценочным данным, в отраслях производства лекарственных препаратов для людей и животных эксплуатируется порядка тысячи сублимационных установок, преимущественно изготовленных в бывшей ГДР. В системе станций переливания крови работают несколько сотен сублимационных установок, выпущенных в бывшей Чехословакии. В пищевой промышленности России, Белоруссии, Молдавии эксплуатируются сублимационные установки производительностью 200-400 кг сырья (цикл сушки), изготовленные в единичных экземплярах отечественными заводами. По своей конструкции (форма и размер сушильной камеры, десублиматора, способ энергоподвода к объекту сушки, удельные энергозатраты, удельные параметры и т.д.) и техническим параметрам эти установки все разные. Проектировались и изготовлялись они: также на различных предприятиях, имеющих свои взгляды на эту проблему. Стоимость выпускаемых импортных установок весьма высока. Так, в 2000 году ведущие западные фирмы предлагали установки производительностью порядка 50-70 кг/цикл сушки по цене 120-150 тыс. дол. США. Поскольку номенклатура выпускаемых импортных изделий довольно быстро меняется, их просто снимают с производства через 5-6 лет. Все вышеизложенное делает чрезвычайно актуальной и экономически целесообразной проблему создания отечественной техники для сублимационной сушки.

При разработке нового оборудования решались задачи обоснованного выбора технических характеристик сублимационных установок, формирование их параметрического ряда, изготовление и испытание головных образцов.

Важнейшим показателем является площадь загрузки рабочей камеры, непосредственно связанная с производительностью каждого цикла сушки. На первом этапе нами проведен анализ конструктивных особенностей сублимационных установок, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами. По своему функциональному назначению сублимационные установки можно разделить на три большие группы.

Во-первых, это оборудование для лабораторных исследований. Его характеризует небольшая (1-5 кг) загрузка, высокая степень оснащенности приборами для контроля всех параметров процесса и объектов высушивания, возможность точного регулирования режима работы систем холодоснабжения и вакуума, возможность визуального контроля хода процесса, в том числе с использованием микротелекамер.

Вторая, наиболее многочисленная по типам моделей группа, это установки для предприятий медицинской и микробиологической промышленности. Загрузка высушиваемого материала в эти установки обычно на уровне 20-75 кг, иногда 100 кг. Общей особенностью является сушка в условиях кондуктивного теплоподвода. Объекты сушки (чаще всего в ампулах или флаконах различной емкости) размещаются в противнях, устанавливаемых в свою очередь на горизонтальных плитах, смонтированных в объеме сушильной камеры в виде этажерки. Температура плит может изменяться в диапазоне от -30...-40 °С на этапе замораживания и начала сушки, до +55...+80 °С к ее завершению. Температура десублиматора порядка -50...-60 °С. Рабочая сушильная камера имеет прямоугольную, реже круглую форму. Десублиматор, как правило, выносной, отделяемый от основной рабочей камеры посредством вакуумной задвижки с рабочим сечением 250-400 мм. Холодоснабжение десублиматора и полок автономное, от холодильных машин, входящих в состав сублимационной установки. Как уже отмечалось, установки этого класса выпускаются серийно всеми фирмами, специализирующимися на оборудовании для сублимационной сушки.

Третья группа установок предназначена для сушки пищевых продуктов массового спроса. Количество загружаемого в каждую рабочую камеру сырья составляет обычно от 300-500 до 1000 кг. Характерной особенностью этих установок является радиационный подвод энергии к объекту сушки. При этом нагревающие элементы стационарно монтируются в корпусе рабочей камеры, а высушиваемый продукт на этажерках (транспортерах, подвесных люльках и т.д.) вводится в зазор между рядами верхних и нижних нагревателей. Десублиматоры могут быть как встроенными, так и выносными.

Каждый из вариантов размещения десублиматоров имеет свои достоинства. Холодоснабжение десублиматоров обычно централизованное, от общей сети хладоснабжения предприятия. Типичным примером является сублимационная установка мясоконсервного комбината в г. Орше. Загрузка сырья примерно 1 т, рабочая камера цилиндрической формы со встроенным десублиматором. Холодоснабжение от общей системы холодообеспечения низкотемпературных камер замораживания мяса. Еще одним примером является цех сублимационной сушки овощеконсервного комбината в п. Детчино Калужской области. Цех укомплектован четырьмя установками с единовременной загрузкой сырья по 1 т в каждую установку. Производство является самым крупным в России и СНГ. Следует отметить, что сублимационные установки этих двух предприятий только из отечественных комплектующих изделий. Из зарубежных фирм наиболее современными являются крупные сублимационные установки датской фирмы «АТ1А8». Таким образом, по количеству загружаемого в сублимационную установку сырья и соответствующей этой загрузке рабочей площади полок сублимационные установки периодического действия можно разделить на три большие группы:

• лабораторные установки для проведения экспериментальных исследований. Загрузка 1-5 кг (площадь полок 0,3-1 м²);
• установки для медицинской и микробиологической промышленности, для выработки опытно-промышленных партий пищевых продуктов. Загрузка высушиваемого материала – 20-75, реже 100 кг (общая площадь полок – 2-7; или 10 м²);
• установки для сушки в промышленных в масштабах пищевых продуктов кофе, грибов. Загрузка от 300-500 кг до 1 т в каждую установку, что соответствует рабочей площади 30-50 и 100 м²;
• установки второй группы представляют собой наибольший практический интерес для отечественного производства. Причиной являются уже сформировавшиеся традиционные области их применения в медицинской и микробиологической промышленности, новые перспективные (для отечественного производства) области применения для сушки лекарственных трав и экстрактов из них, эндокринно-ферментного сырья животного происхождения, компактных и мобильных по возможностям смены ассортимента пищевых производств, создаваемых на базе 2-4 сублимационных установок этой группы. Перечень можно продолжить примерами использования этих установок для сушки таких экзотических объектов, как пчелиное молочко и фермент сока папайи. Такие производства созданы нами соответственно в Краснодарском крае (агрофирма «Апилак») и в Республике Эквадор.

На основе анализа технических параметров и особенностей конструкций импортных сублимационных установок, опыта их промышленной эксплуатации нами совместно со специалистами НПО «Вакууммаш» (г. Казань) был разработан параметрический ряд отечественных установок для сублимационной сушки.

Каждая из моделей изготовлена в металле, прошла заводские испытания. Это оборудование сегодня вполне может быть использовано в отечественном промышленном производстве, так как по своим техническим параметрам оно сопоставимо с импортными аналогами, при этом стоимость каждой модели в несколько раз ниже.

Рассмотрим более подробную конструкцию этих сублимационных установок.

Установка вакуумная сублимационная для лабораторных исследований и для выработки опытных образцов. Модель установки УВС-08. Принципиальная схема установки представлена на рис. 6.1. Установка предназначена для экспериментальных исследований процессов сушки пищевых продуктов, ферментов, лекарственных препаратов, растительных экстрактов и т.д.

Особенностью конструкции этой установки является использование для охлаждения полок и десублиматора смеси сухого льда со спиртом, что обеспечивает достижение температур до -75 °С. Отсутствие холодильной машины упрощает конструкцию сублимационной установки, повышает ее надежность.

Установка УВС-08 имеет следующие технические характеристики:

• количество рабочих полок – 2 и одна верхняя экранирующая полка;
• рабочая поверхность полок – 0,8 м²;
• диапазон регулирования температуры полок: от -45 °С до +65 °С;
• ледоемкость пластин десублиматора – 8 кг;
• габаритные размеры установки по длине, ширине и высоте соответственно 850,1600 и 1670 мм;
• вес установки – 500 кг.

Рис. 6.1. Установка вакуумная сублимационная для лабораторных исследований
и выработки, опытных образцов. Модель УВС-08:
1 – расширительные компенсационные балки для теплоносителя;
2 – люк для загрузки сухого льда и спирта; 3 – двухступенчатый вакуумный насос;
4 – циркуляционный насос термостатирования рабочих полок; 5 – рабочие полки для размещения объектов сушки

УСТАНОВКА ВАКУУМНАЯ СУБЛИМАЦИОННАЯ УВС-4

Принципиальная схема установки показана на рис. 6.2. Данная установка предназначена для использования в медицинской промышленности для сушки лекарственных препаратов во флаконах, ампулах или слое. Может использоваться в пищевой промышленности для выработки опытно-промышленных партий сублимированных продуктов: рыбных, мясных, растительных, молочных. Энергоподводы к объекту сушки кондуктивные. Объекты сушки размещаются на смонтированных в рабочей камере полках. Полки выполнены из алюминиевого сплава, при этом каждая полка имеет два трубчатых змеевика.

В одном из них циркулирует теплоноситель, а во втором – хладагент. Шаг трубчатых змеевиков в полках и толщина самих полок выбраны так, что перепад температуры по площади каждой полки и между отдельными полками не превышает ГС при выходе сублимационной установки на стационарный режим работы.

Особенностью конструкции является наличие двух холодильных машин, первая из которых служит для охлаждения рабочих полок, вторая – для охлаждения пластин десублиматора. Наличие двух холодильных машин значительно повышает надежность сублимационной установки. Если в ходе сушки возникают неполадки в работе установки, она может быть переведена в режим охлаждения полок. Этот технологический прием во многих ситуациях позволяет сохранить объект сушки, не допустить его подтаивание и порчи, что особенно важно при высушивании дорогостоящих лекарственных препаратов.

Рис. 6.2. Установка вакуумная сублимационная УВС-4 (вид сверху):
1 – циркуляционные насосы системы термостатирования полок; 2 – вакуумные насосы;
3 – одноступенчатая холодильная машина системы охлаждения;
4 – пульт управления сублимационной установкой;
5 – каскадная холодильная машина для охлаждения десублиматора; 6 – десублиматор;
7 – вакуумная задвижка; 8 – рабочая сушильная камера

Следует отметить, что замораживание объекта сушки может производиться непосредственно на полке сублимационной установки. Охлаждение пластин десублиматора осуществляется каскадной холодильной машиной. Десублиматор и рабочая сушильная камера разделены вакуумной задвижкой. Наличие вакуумной задвижки позволяет по окончании цикла сушки начать оттайку десублиматора, при этомуже высушенный продукт хранится под вакуумом в сушильной камере до начала его выгрузки и упаковки в удобное рабочее время.

Установка УВС-4 имеет следующие технические параметры:

• производительность максимальная – 75 кг сырья/цикл сушки;
• давление в рабочей камере не более 40 Па (0,3 мм рт. ст.);
• температура плит для размещения объектов сушки от -25 °С до +60 °С;
• температура пластин десублиматора до -60 °С;
• установленная электрическая мощность – 28 кВт;
• расход охлаждающей воды – до 1,7 м³/ ч;
• габаритные размеры по длине, ширине и высоте соответственно – 2670,3730 и 2190 мм.

УСТАНОВКА ВАКУУМНАЯ СУБЛИМАЦИОННАЯ УВС-8

Принципиальная схема установки представлена на рис. 6.3. Она предназначена для высушивания предварительно замороженных жидких, пастообразных или кусковых пищевых продуктов животного и растительного происхождения. Особенностью конструкции установки является радиационный энергоподвод к объекту сушки. В рабочей сушильной камере смонтирована энергетическая тележка, представляющая собой горизонтально расположенные (в виде этажерки) плоские греющие элементы – плиты. В полости этих плит циркулирует жидкий теплоноситель. Вторая тележка (этажерка) – выдвигающаяся из рабочей сушильной камеры. Конструкция ее такова, что объект сушки на плоских противнях располагается в зазорах между греющими плитами. Загрузка (выгрузка) высушиваемого продукта осуществляется при выдвинутом из рабочей камеры положении тележки. Установка снабжена двумя выносными десублиматорами, каждый из которых соединен с рабочей сушильной камерой посредством коллекторов с вакуумными задвижками.

Охлаждение пластин десублиматоров предусматривается отдельными холодильными машинами, которые не входят в комплект сублимационной установки. В условиях реального промышленного производства десублиматор обычно подсоединяются к общей системе холодоснабжения базового предприятия мясокомбината, молокозавода и т.д.

Установка УВС-8 имеет следующие технические параметры:

• производительность средняя – 300 кг сырья / цикл сушки;
• рабочее давление в вакуумной камере не более 66 Па (0,5 мм рт. ст.);
• температура греющих плит до 140 °С;
• температура пластин десублиматора -30...-40 °С;
• установленная электрическая мощность (без учета холодильных машин) не более 58 Квт;
• габаритные размеры по длине, ширине и высоте соответственно: 3914,532 и 2584 мм;
• масса установки –13 ООО кг.

Рис. 6.3. Установка вакуумная сублимационная
УВС-8: – теплообменник для подогрева (охлаждения) теплоносителя; –
центробежные циркуляционные насосы для теплоносителя;
3 – греющие плиты (радиационный энергоподвода к объекту сушки);
4 – выдвигающаяся этажерка с противнями; 5,10 – десублиматоры;
6 – вакуумные насосы; 7 – силовой щит; 8 – пульт управления; 9 – рабочая сушильная камера

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА УВС-0.3 «ШИК

Весь комплекс работ по созданию установок выполнен научно-производственной фирмой «ШиК» (Москва), возглавляемой Г. Д. Шабетником. Особенностью рассматриваемой конструкции, выгодно отличающей ее от отечественных и зарубежных аналогов, является возможность проведения сушки в двух режимах; в режиме вакуумной сушки при давлении 10-30 мм рт. ст. и в режиме традиционной сублимационной сушки, при давлении 0,5-1,0 мм рт. ст. Возможно также совмещение этих двух режимов в пределах одного цикла высушивания. Работа установки в двух режимах нашла отражение в ее названии–«установка универсальная». Данное обстоятельство открывает новые технологические возможности при высушивании таких высоковязких материалов, как, например, сгущенная желчь, сгущенные фруктовые соки [19].

Принципиальная схема установки представлена на рис. 6.4.

В отличие от рассмотренной выше установки УВС-8 данная модель имеет две рабочие сушильные камеры с площадью сушильных полок 16 м2 каждая. Энергоподводы к объекту сушки кондуктивные, т.е. противни (лотки) с высушиваемым материалом располагаются непосредственно на сушильных полках. Каждая рабочая сушильная камера имеет свой десублиматор.

Установка УВС-0.3 «ШиК» состоит из двух самостоятельных сушильных блоков, которые могут работать как одновременно, так и отдельно, либо вводятся в работу с каким-то сдвигом по времени. Это позволяет оптимизировать операции загрузки сырья и выгрузки высушенного продукта.

Рис. 6.4. Установочные размеры УВС-03 «ШиК» (вид сверху)

Установка УВС-03 «ШиК» имеет следующие технические параметры:

• производительность – 300-350 кг сырья / цикл сушки, в зависимости от свойств объекта сушки;
• рабочее давление в сушильной камере регулируемое, от атмосферного до 40 Па (0,3 мм рт. ст);
• температура рабочих полок – от 12 до 70 °С;
• количество противней для продукта (комплект) – 100 шт.;
• температура панелей десублиматора не выше –30 °С;
• время достижения предельного вакуума в рабочей камере не более 7 мин.;
• установленная электрическая мощность – 57 кВт;
• расход электроэнергии в процессе сушки с учетом холодильных машин–охлаждения десублиматоров – 35-40 Квт*ч;
• размеры по длине, ширине и высоте соответственно – 5230, 6300 и 2360 мм;
• общая масса – порядка 6000 кг.

Рис. 6.5. Схема универсальной вакуумной сушилки УВС-0.3 «ШиК»:
1, 2 – сушильная камера; 3, 4 – крышка сушильной камеры; 5, 6–продуктовые полки;
7, 8 – осушитель; 9,10 – соединительный патрубок с вакуумной задвижкой;
11,12–система нагревания и охлаждения продуктовых полок; 13,14–циркуляционный насос;
15,16,17–блок откачки; 18–пульт управления

Установки марки УВС-0.3 «ШиК» и ее модификации успешно эксплуатируются в Москве и Волгограде.