Разработка и исследование роторно-пульсационного экстрактора для интенсификации процесса затирания при производстве пива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Просин, Максим Валерьевич

• Просин, Максим Валерьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Просин, Максим Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)..............................................................................................................9

1.1 Анализ технологической схемы производства пива..........................................9

1.2 Методы интенсификации экстрагирования................................................................13

1.3 Современное состояние оборудования для экстрагирования......................20

1.3.1 Конструкции заторных котлов............................................................................................20

1.3.2 Экстракторы для системы твердое тело - жидкость......................................26

Выводы по главе..........................................................................................................................................34

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В

РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ ЭКСТРАКТОРЕ................................................35

2.1 Методы моделирования процесса экстрагирования..........................................35

2.2 Регрессионный анализ...........................................................................40

2.3 Физическое моделирование процесса экстрагирования..............................45

2.3.1 Определение кинетики влагопоглощения................................................................46

2.3.2 Исследование процесса набухания и определение эквивалентного размера частиц солода............................................................................................................................47

2.3.3 Определение коэффициента диффузии..............................................................48

2.3.4 Определение коэффициента массоотдачи............................................................49

Выводы по главе..........................................................................................................................................50

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................51

3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда........................................51

3.1.1 Роторно-пульсационный аппарат................................................................................53

3.2 Характеристика материалов, использованных в

экспериментальных исследованиях............................................................................................54

3.3 Методики анализа экспериментальных данных....................................................56

3.3.1 Методика определения экстрактивных веществ..........................................57

3.3.2 Методика определения кинетики влагопоглощения, процесса набухания и определения эквивалентного размера частиц....................................57

3.3.3 Методика определения коэффициента диффузии....................................................59

3.3.4 Методика определения коэффициента массоотдачи......................................63

Выводы по главе..........................................................................................................................................67

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................................................68

4.1 Исследование работы роторно-пульсационного аппарата новой конструкции................................................................................................................................................68

4.2 Исследование процесса затирания в роторно-пульсационном аппарате..............................................................................................................................................................71

4.3 Исследование диспергирования частиц твердой фазы в роторно-пульсационном аппарате......................................................................................................................76

4.4 Получение уравнений регрессии на основе полнофакторного эксперимента..................................................................................................................................................82

4.5 Опытные данные кинетики влагопоглощения........................................................88

4.6 Эквивалентный размер частиц солода..............................................................................89

4.7 Исследование диффузионных свойств сырья............................................................89

4.7.1 Определение коэффициента диффузии......................................................................89

4.7.2 Определение коэффициента массоотдачи................................................................91

4.8 Исследование качественного состава сусла, полученного на

экспериментальной установке........................................................................................................94

Выводы по главе..........................................................................................................................................100

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ..........................................................102

5.1 Методика расчета РПА..................................................................................................................102

5.2 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства

пива............................................................................................................................................................................105

5.3 Дегустационная оценка опытного образца пива....................................................107

Выводы по главе..........................................................................................................................................115

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ........................ 116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................ 118

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 130

Приложение А. Экспериментальные данные по определению

рационального количества лопастей............................................. 131

Приложение Б. Экспериментальные данные по деспергированию

солода в РПА.......................................................................... 133

Приложение В. Расчетный лист регрессионного анализа в программе

«Excel»................................................................................. 135

Приложение Г. Поверхности отклика регрессионного анализа............ 137

Приложение Д. Экспериментальные данные кинетики

влагопоглощения..................................................................... 140

Приложение Е. Экспериментальные данные для расчета значений

коэффициента диффузии............................................................ 141

Приложение Ж. Расчетные значения критерия Био и коэффициента

массоотдачи........................................................................... 143

Приложение 3. Акт испытаний роторно-пульсационного экстрактора... 144 Приложение И. Дегустационный акт............................................ 149

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование роторно-пульсационного экстрактора для интенсификации процесса затирания при производстве пива»

ВВЕДЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности производственных процессов является одной из существенных проблем технических наук, то есть одним из факторов повышения экономики, и соответственно, благосостояния России. Этого невозможно достичь без привлечения новых инновационных технологий. Поэтому внимание ученых привлечено на создание нового высокоэффективного оборудования повышающего производительность производств за счет экономии сырья, снижения энергозатрат и сокращения продолжительности изготовления конечного продукта.

В пивоваренной промышленности, интенсификация производства пива может быть достигнута за счет большего извлечения сухих веществ из солода и уменьшения времени различных стадий технологического процесса. Добиться этого можно за счет использования нового современного оборудования на стадии затирания зернопродуктов. По своей сути затирание является экстракционным процессом, поэтому для его проведения следует применять высокоэффективные экстракционные установки, вместо используемых, в настоящее время, заторных котлов.

На сегодняшний день разработано множество различных конструкций экстракторов, однако не все они обладают высоким техническим совершенством для извлечения целевых компонентов. Поэтому разработка высокоэффективных экстракторов, которые характеризуются низкими энергозатратами, является актуальной научной задачей, представляющий интерес не только для пищевой промышленности, но и для ряда других отраслей.

На наш взгляд, наиболее перспективным для использования в пивоваренном производстве являются роторно-пульсационные аппараты (РПА). Эти аппараты широко используют при проведении различных процессов, таких как гидромеханические, химические, тепло-массообменные и т. п. РПА обеспечивают

высокое качество получаемого продукта при низких метало- и энергозатратах. При работе РПА возникает интенсивная импульсная акустическая кавитация, переходные гидромеханические процессы, резонансные явления, позволяющие интенсифицировать процессы с существенным снижением удельных затрат, что является одной из приоритетных задач развития науки и техники.

Научной базой для исследований в данной области явились работы Г.А. Аксельруда, Г.Е. Иванец, В.М. Лысянского, С.М. Гребенюка, М. А. Промтова и ряда других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

Цель работы. Интенсификация процесса затирания за счет использования новой конструкции роторно-пульсационного экстрактора с направляющими лопастями.

Разработка новой конструкции высокоэффективного,

непрерывнодействующего роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса экстрагирования.

Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в настоящей работе решались следующие основные задачи:

• теоретические и экспериментальные обоснования разработанной конструкции РПА с направляющими лопастями;

• исследование процесса экстрагирования в РПА новой конструкции с применением методов физического моделирования;

• анализ новой конструкции РПА с целью нахождения рациональных конструктивных и технологических параметров получения заторов;

• разработка инженерной методики расчета РПА;

• проведение опытно-промышленных испытаний РПА новой конструкции.

Научная новизна. Созданы математические модели РПА новой

конструкции, позволяющие прогнозировать получение конечного продукта с

заданными свойствами. Экспериментально исследовано влияние основных факторов на технологические показатели конечного продукта. Получены рациональные технологические параметры работы РПА. Представлены уравнения регрессии, позволяющие рассчитать значения концентрации в зависимости от основных факторов.

Практическая значимость и реализация. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса экстрагирования позволили разработать новую конструкцию РПА с направляющими лопастями, техническая новизна РПА защищена патентом РФ. Предложен алгоритм расчета геометрических размеров РПА с направляющими лопастями.

На защиту выносятся: исследование процесса затирания в РПА с направляющими лопастями при физическом моделировании; математическая модель РПА, разработанная с использованием регрессионного анализа, позволяющая выбрать рациональные параметры работы; результаты экспериментальных исследований процесса экстрагирования в РПА с направляющими лопастями.

Объектом исследования являлась разработанная конструкция РПА с направляющими лопастями.

Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу РПА при рациональных режимных параметрах, влияющих на качество получаемых заторов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Всероссийская конференция студ. и аспир. «Пищевые продукты и здоровье человека». Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека: тезисы докладов IV Всероссийской конференции студентов и аспирантов. Кемерово, 2011; Инновационные процессы в АПК: материалы III международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва, 2011; Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических

производствах: материалы международной научно-технической интернет -конференции. Воронеж, 2011; Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Кемерово, 2012; Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы Н-ой Международной научно-практической конференции. Курск, 2012; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013; Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современный взгляд на производство продуктов здорового питания». Омск, 2013; European Science and Technology: Materials of the V international research and practice conference. Munich, Germany, 2013; IV Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference. Westwood, Canada, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 зарубежные публикации, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 32 рисунка, 10 таблиц. Основной текст изложен на 129 страницах машинописного текста, приложения - на 20 страницах. Список литературы включает 124 наименования.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

В данной главе рассмотрены и проанализированы технологическая схема производства пива, факторы, влияющие на процесс экстрагирования, а так же конструкции экстракционных аппаратов.

1.1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПИВА

Пиво - слабоалкогольный, жаждоутоляющий, игристый напиток с характерными хмелевыми ароматами и вкусной горчинкой. Помимо воды, этилового спирта и диоксида углерода пиво так же обогащено питательными и биологически активными веществами: белки, углеводы, микроэлементы и витамины [115].

По цвету пиво подразделяют на светлое и темное, а в зависимости от вида используемых дрожжей - на пиво низового и верхового брожения [33]. Около 90% производящегося пива низового брожения приходится на светлые сорта. Его варят из светлого пивоваренного солода с добавлением несоложеных материалов (ячмень, рисовая сечка, обезжиренная кукуруза, сахар), воды, хмеля или хмелевых добавок. При изготовлении темных сортов пива применяются специальные виды солода (темные, карамельные и др.).

История пивоварения уходит корнями в незапамятные времена, благодаря археологическим исследованиям можно утверждать, что уже много тысячелетий назад древние народы из злаков диких либо специально выращенных растений получали напиток, по процессу приготовления напоминающий пиво. В процессе развития цивилизаций развивалась и технология получения этого напитка.

Применяемая в настоящее время классическая схема производства пива, представленная на рисунке 1.1, включает следующие основные этапы: приготовление солода (проращивание зерен ячменя), варка сусла, сбраживание

полученного сусла, выдержку (дображивание) молодо пива, последующую обработку и розлив пива в тару [64, 77, 115, 75]. Это сложный процесс, который длится 60—100 дней.

Очищенный и отсортированный ячмень попадает на замочку в замочный чан, откуда он перекачивается для проращивания в солодорастительный аппарат. Солод (зеленый) с помощью механического транспорта направляется в сушилку.

Из сушилки готовый солод поступает в силос для хранения и отлежки свежего солода. Ячменный солод взвешивают и отправляют на следующую стадию производства в варочный цех.

После удаления всех металлических примесей солод отмеренными порциями попадает в солододробилки. Затем дробленый солод и несоложенные материалы передаются в заторные аппараты, где происходит затирание.

Первичное сусло из заторного аппарата направляется на фильтрацию, затем в сусловарочный аппарат. Пройдя хмелеотборный аппарат, сусло охлаждают и направляют на брожение.

По окончании главного брожения зеленое пиво, охлаждается и направляется на дображивание. После дображивания пиво проходит через сепаратор, где происходит первичная фильтрация пива, а затем на фильтр — пресс для более детальной и точной очистки. Отфильтрованное пиво насыщается углекислотой через карбонизатор. Далее пиво поступает в цех розлива.

ч

г 1

_______ — Ч г" -1 » Л» Л 47 \ 1 1

/ ( \

1 ^ ¿г к

Рисунок 1.1 - Технологическая схема производства пива

1 - механический транспорт зернохранилища, 2 - весы, 3 - приемный бункер солодовенного отделения, 4 - замочный

чан, 5 - бункер для сплава (отходов), 6 - насос, 7 - солодорастительный аппарат, 8 - механический транспорт и винтовой шнек, 9 - сушилка, 10 - росткоотбойная машина, 11 - весы, 12 - накопительный бункер, 13 - силос элеватор, 14 - весы с открывающимся днищем, 15 - зерновой бункер, 16 - нория, 17, 18, 19 - накопительный бункер, 20 -магнитные ловушки, 21 - автоматические весы, 22 - солододробилки, 23 - промежуточные емкости, 24 - насос, 25 -заторные аппараты (2 шт.), 26 - насос, 27 - фильтрационный аппарат, 28 - насос, 29 - сборник воды, 30 - насос, 31-сусловарочный аппарат, 32 - насос, 33 - бункер для дробины, 34 - насос, 35 - хмелеотборный аппарат, 36 - насос, 37 -турбулентный чан, 38 - пластинчатые теплообменники, 39 - дрожжевое отделение, 40 - емкость для задачи дрожжей (монжю), 41 - ванна дрожжевого отделения, 42 - теплообменник, 43 - лагерные танки, 44 - сепаратор, 45 - фильтр-

пресс, 46 - карбонизатор, 47 - моноблок цеха розлива.

Анализируя технологическую схему приготовления пива можно сделать вывод, что основной стадией, которая обуславливает производительность всего процесса, является стадия затирания.

Затирание - смешивание дроблёных зернопродуктов в определённой пропорции с тёплой водой и последующее контролируемое нагревание полученной смеси. В процессе затирания под действием накопленных при солодоращении ферментов осуществляется осахаривание крахмалистых веществ солода, сопровождающееся их переводом из нерастворимой формы в растворимую, и экстрагирование растворимых веществ. Помимо осахаривания при затирании протекают и другие ферментативные процессы, например распад белков. В процессе затирания завершаются естественные процессы, начавшиеся на стадии производства солода.

В ходе затирания производится постепенный нагрев с «температурными паузами», необходимыми для действия различных ферментов. Таких пауз несколько [77, 115]:

• 50 - 52 °С в течение 10-15 мин. (белковая пауза - для расщепления белков);

• 62 - 63 °С 15 - 30 мин. (мальтозная пауза — действует фермент бета-амилаза, который дробит крахмал на крупные фрагменты);

• 70 - 72 °С 30 мин. (осахаривание - действует альфа-амилаза, дробящая декстрины на более мелкие фрагменты — олигосахариды, мальтозу).

Окончание процесса осахаривания определяют йодной пробой. Затем затор нагревают до 78 °С (для инактивации ферментов и снижения вязкости) и подают на фильтрацию [115].

На современном производстве процесс затирания осуществляется в заторных котлах, обогреваемых паром или горячей водой. Длительность этой стадии от полутора до двух часов.

Таким образом, затирание - важный процесс, от которого зависит все производство. Для его проведения требуются большие затраты энергии и времени. Вследствие чего возникает необходимость разработки и внедрения нового оборудования для процесса затирания.

Следует также отметить, что по своей сути затирание - это экстракционный процесс. Поэтому для улучшения процесса следует использовать основные теории, методы интенсификации и методики расчета, применяемые для экстрагирования веществ жидким растворителем из твердой фазы.

1.2 МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

Экстрагирование, по своей сути, является извлечением одного или нескольких компонентов из твердой фазы при помощи жидкого растворителя (экстрагента), обладающим способностью извлекать только целевой компонент, который необходимо извлечь.

В пищевой промышленности экстрагирование выполняет важную роль при приготовлении растительных масел; при производстве ликеров, настоев, фруктовой эссенций и т. д.

В общем случае процесс экстрагирования проходит в четыре основных этапа [1-5, 10, 16, 18, 20]:

• проникновение экстрагента во внутренние капилляры частиц твердой фазы;

• растворение извлекаемого вещества;

• вывод извлекаемого вещества из капилляров к поверхности твердой частицы (внутренняя диффузия);

• отвод извлекаемого вещества от поверхности твердой фазы в ядро потока растворителя (внешняя диффузия).

Движущая сила процесса экстрагирования есть разность концентраций целевого вещества в экстрагенте, заполняющим капилляры твердого фазы, и в основном потоке растворителя, контактирующим с поверхностью твердой фазы [1-5, 22, 23, 27, 28].

Следуя из механизма экстрагирования процесс отвода целевого вещества из внутренних капилляров твердой фазы к границе раздела фаз происходит за счет молекулярной диффузии [2, 3, 16, 30, 40, 41, 43, 102].

Основным законом молекулярной диффузии является закон Фика,

показывающий взаимосвязь между плотностью диффузионного потока } и градиентом концентрации с1с/с1п на имеющейся в пространстве поверхности сШ [15,31,40, 44 46, 50]:

) = -Б(ас/ап), (1.1)

где Б - коэффициент молекулярной диффузии, м /с.

Знак перед коэффициентом молекулярной диффузии показывает, что вектор плотности диффузионного потока и вектор градиента концентраций направлены в разные стороны. Величина коэффициента молекулярной диффузии напрямую зависит от структуры твердого тела, температурного воздействия и концентрации растворимых частиц вещества.

Отвод целевого компонента от границы разделения фаз в основной поток растворителя определяется за счет коэффициента массоотдачи р. Плотность диффузионного потока ] от границы раздела фаз к растворителю определяются при помощи уравнения Ньютона - Рихмана [2, 3, 16, 30, 40]:

] = Р(СП-С% (1.2)

где С„ - концентрация целевого компонента на поверхности твердой частицы, % мае.;

С' - концентрация извлекаемого вещества в растворителе, % мае.

К главным факторам, влияющим на величину коэффициента массоотдачи, относятся: характер движения экстрагента, физические (диффузионные) свойства растворителя, геометрия частиц твердой фазы (их форма и размер), а также конструкция аппарата, проводящего данный процесс.

Изменение коэффициентов молекулярной диффузии Б и массоотдачи р отражают две разные стороны процесса [96, 97]. На коэффициент диффузии влияют только диффузионные характеристики частиц твердой фазы, и не

изменяет своей величины независимо от того, где проводится изучаемый процесс [2, 3, 16, 30, 40, 96, 97]. Величина коэффициента массоотдачи сильно зависит от конструкции экстрактора. Определив этот показатель можно оценить конструктивное совершенство разработанного аппарата или отдельных его частей [51,60, 67, 69, 70,71,96, 97].

На интенсивность проведения рассматриваемого процесса оказывают влияние многие факторы, основные из которых: гидродинамические условия течения экстрагента, величина поверхности соприкосновения фаз, разность концентраций (движущая сила), длительность процесса, вязкость экстрагента, температура проведения процесса. Кроме того, на полноту и скорость извлечения влияют: добавка поверхностно-активных веществ, характер загрузки сырья, подбор экстрагента, пористость и порозность сырья, различные физические воздействия на взаимодействующие фазы (СВЧ-воздействие, воздействие пульсаций, вибраций, электроимпульсный заряд в жидкой среде, магнитное воздействие, измельчение и деформация сырья в экстрагенте) [16, 20, 23, 28, 37, 57, 73, 78, 112, 123, 124]. Рассмотрим отдельное влияние этих факторов.

Гидродинамические условия течения экстрагента. Коэффициент массопередачи К определяется из уравнения [16, 23]:

к=

1 <1 1

—+—+—

д» л р

(1.3)

Бв„ - коэффициент внутренней диффузии, м2/с, с1 - толщина диффузионного пограничного слоя, м, Б - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с, В - коэффициент конвективной диффузии, м/с.

Уравнение (1.3) учитывает коэффициенты всех видов диффузии и может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так без

перемешивания (при отсутствии конвекции) коэффициент конвективной диффузии р приравнивается к нулю, а ширина диффузионного слоя 6 приравнивается к толщине всего слоя экстрагента. В результате, третий этап экстрагирования не учитывается, а коэффициент массопередачи определяется только за счет внутренней диффузии в материале Овп и свободной молекулярной диффузией в стационарном растворителе, и имеет вид:

к=

В £>

вн

(1.4)

Такое наблюдается при настаивании - самый длительный метод экстрагирования.

В случае, когда растворитель передвигается хотя бы с малой скоростью, относительно твердой фазы, коэффициент массопередачи определяется суммарными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения (1.3). Интенсивность этого способа извлечения больше, за счет уменьшения слоя неподвижной жидкости, появления конвекционных течений, способствующих лучшему распределению вещества. Данная методика характерна для непрерывного противоточного экстрагирования.

Также следует отметить, что при очень высокой скорости перемешивания может отсутствовать вторая и третья стадии. В результате этого коэффициент конвективной диффузии значительно возрастает, практически до бесконечности, т. е. массоперенос, осуществляется моментально и, следовательно, нет нужды в третьем слагаемом в знаменателе уравнения (1.3). Вместе с тем и толщина пограничного диффузионного слоя 6 становится равной нулю, поэтому второе слагаемое в знаменателе уравнения также будет отсутствовать. Коэффициент массопередачи в этом случае определяется только коэффициентом диффузии во внутренних капиллярах твердых частиц и имеет вид:

к=и

вн

(1.5)

Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагирования с использованием РПА. Второе и третье слагаемое в знаменателе может отсутствовать, но присутствие первого обязательно для извлечения из материалов с клеточной структурой.

В недавние времена предлагается извлечение с использованием ультразвуковых воздействий [73, 112], с помощью электрических зарядов за счет электроплазмолиза и электродиализа [20]. Эти воздействия дают возможность влиять на значение коэффициента внутренней диффузии Ввн, в результате чего значительно повышается интенсивность процесса экстрагирования на самом его медленном этапе.

Поверхность раздела фаз (Р), в системе «твердое тело - жидкость» зависит от характера измельчения сырья. Чем меньше частички твердой фазы, тем интенсивней протекает процесс [1-5]. Следует учитывать, что чрезмерно тонкое измельчение материала может привести к его слеживанию, а при большом накоплении слизистых компонентов - ослизняться, за счет этого экстрагент будет плохо контактировать и омывать частицы твердой фазы. Слишком тонкое измельчение значительно увеличивает количество разрушенных клеток, в результате чего вымываются ненужных вещества, которые загрязняют экстракт (белок, слизь, пектин и подобные высокомолекулярные соединения). Помимо всего этого, в растворитель переводится большая часть взвешенных компонентов. Вследствие чего вытяжки получаются мутными, трудноосветляемыми и плохо фильтруемыми. Все это позволяет сделать вывод, что для увеличения интенсивности экстрагирования крупное сырье необходимо измельчать до оптимальных размеров. Но при этом должны быть сохранены клеточная структура материала, и преобладать диффузионные процессы.

Разность концентраций экстрагируемого вещества в материале Сь и растворителе С2 является движущей силой процесса экстрагирования. Во время проведения процесса необходимо стремиться к максимальному перепаду

концентраций, что достигается изменением соотношения расхода фаз, увеличением частоты смены экстрагента, применение противоточного метода экстрагирования и тому подобное [1-5, 100, 102, 103, 104].

Продолжительность (Время) извлечения. Основное уравнение массопередачи показывает количество вещества, перешедшего через границу раздела фаз, прямо пропорционально времени экстрагирования. Многие производства стремятся к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок. Это достигается за счет использования всех прочих факторов, ведущих к интенсификации процесса. Общая длительность экстрагирования определяется экономическими соображениями [1-5, 100, 102, 103, 104].

Влияние температуры. Подогрев оказывает воздействие на твердую фазу, за счет чего лучше отделяются ткани и разрываются клеточные стенки, в результате, повышая скорость течения экстракционного процесса[1-5, 100, 102, 103, 104].

Увеличение температуры позволяет повысить интенсивность процесса экстрагирования, но следует учитывать влияние температурного фактора на свойства материала и экстрагента. К примеру, при извлечении целевых компонентов из плодово-ягодного сырья, увеличение температуры более 60 °С, негативно сказывается на витамине С, что портит конечный продукт. Спиртовое и тем более эфирное извлечение происходит при комнатной (или более низкой) температуре, в результате этого достигаются минимальные потери растворителей.

Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально доказано, что использование небольших количеств ПАВ (менее 0,1%) улучшает процесс экстрагирования и повышает его интенсивность. При этом количественно увеличиваются экстрагируемые вещества - алкалоиды, гликозиды, эфирные масла и другие. В некоторых случаях это увеличение положительно сказывается на объеме экстрагента, так как требует меньших его затрат. Использование ПАВ уменьшает поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшая смачиваемость составляющих растительной клетки и облегчая проникновение экстрагента во внутренние капилляры твердой фазы [28, 108, 116, 121, 122].

Но следует заметить, что недостатком использования ПАВ является его дороговизна, и применение его на производстве значительно повысит затраты [23].

Воздействие вибрации, пульсации, колебаний, диспергирования и деформирование твердой фазы в среде растворителя, а также СВЧ-воздействие на течение процесса. Применение методов экстрагирования, в которых имеют место вибрации, пульсации, колебания, диспергирование и деформации в среде экстрагента, позволяют значительно повысить интенсивность и характер экстрагирования из твердой фазы [16, 20, 23, 37, 57, 73, 78, 96, 97, 112]. Это достигается за счет того, что:

1) Интенсивное воздействие на твердую фазу приводит к сильным турбулентным течениям, гидродинамическим микропотокам, что в свою очередь улучшает перенос массы, растворение компонентов. Это явление замечается как снаружи твердой фазы, так и во внутренних ее капиллярах. Эти факторы приводят к интенсивному перемешиванию даже внутри отдельных клеток материала.

2) Интенсивное колебание частиц материала в местах трения приводит к локальному повышению температуры, снижению вязкости экстрагента, что в свою очередь влияет на увеличение коэффициента внутренней диффузии.

3) За счет повышения турбулентности потока экстрагента, нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой значительно уменьшается либо будет иметь небольшую толщину.

4) В результате интенсивных колебаний появляются чередующиеся зоны сжимания и расширения. За счет расширения в жидкой фазе появляются области разрыва жидкого экстрагента (кавитационные зоны), которые схлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Данное воздействие приводит к диспергированию частиц, что, в свою очередь, увеличивает поверхность взаимодействия фаз.

Влияние турбулентного перемешивания снаружи и внутри клеток заменяет молекулярно-кинетическое движение - конвективным, за счет чего поддерживается на высоком уровне разность концентраций (движущая сила).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Просин, Максим Валерьевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Аксельруд, Г. А. Массообмен в системе твёрдое тело - жидкость / Г.

A. Аксельруд. - Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - 186 с.

2) Аксельруд, Г. А. Теория диффузионного извлечения веществ из пористых тел / Г. А. Аксельруд. - Львов: Изд-во Львовск. политех, ин-та, 1959.

- 234 с.

3) Аксельруд, Г. А. Экстрагирование. Система твёрдое тело - жидкость / Г. А. Аксельруд, В. М. Лысянский. - М.: Химия, 1974. - 256 с.

4) Аксельруд, Г. А. Растворение твердых веществ / Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. -М.: Химия, 1977.-272 с.

5) Аксельруд, Ю. В. Газожидкостные, хемосорбционные процессы/ Ю.

B. Аксельруд. - Кинетика и моделирование. М.: Химия, 1989. -240 с.

6) А. с. № 286974 СССР, Роторно-пульсационный аппарат. / М. А. Балабудкин (СССР). - Опубл. 1970, Бюл. № 35.

7) А. с. № 288887 СССР, Ротационный аппарат / А. А. Барам, М. А. Балабудкин (СССР). - Опубл. 1971, Бюл. № 1.

8) А. с. № 488504 СССР, Роторно-пульсационный аппарат / М. А. Балабудкин и др (СССР). - Опубл. 1975, Бюл. № 39.

9) Александровский, А. А. Современное состояние и проблемы математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов / А. А. Александровский, Ф. Г. Ахмадиев // В сб. тез. докл. Всееоюз. научно-техн. конф. «Технология сыпучих материалов - Химтехника - 86», Белгород -1986, ч. 2. - С. 3.

10) Аношин, И. М. Теоретические основы массообмеиных процессов пищевых производств / И. М. Аношин. - М.: Пищевая промышленность, 1970.

- 344 с.

11) Арутюнов, С. Ю. Моделирование и оптимизация процесса измельчения зернистых материалов: автореф. дисс. ... док. техн. наук. — Москва, 1982.-24 с.

12) Ахмадиев, Ф. Г. О моделировании процесса массообмена с учётом флуктуации физико-химических параметров / Ф. Г. Ахмадиев, А. А. Александровский // Инженерно-физический журнал. - 1982, т. 43, № 2. - С. 274-280.

13) Ахназарова, С. А. Методы оптимизации экспериментов в химической технологии / С. А Ахназарова., В. В. Кафаров. - М.: Наука, 1985. -326 с.

14) Банди, Б. Основы линейного программирования / Б. Банди. - М.: Радио, Связь, 1989. - 145 с.

15) Балабудкин, М. А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности / М. А. Балабудкин. - М.: Медицина, 1983. -160 с.

16) Бартенев, С. И. Влияние скорости движения экстрагирующей жидкости на скорость диффузии сахара из сока клеток свекловичной стружки: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 1946. - 160 с.

17) Батунер, Л. М. Математические методы в химической технологии / Л. М. Батунер, М. Е. Позин. - Л.: Химия, 1979. - 824 с.

18) Белобородое, В. В. Проблемы экстрагирований в пищевой промышленности / В. В. Белобородов // Известие ВУЗов СССР, Пищевая технология. - 1986. -№ 3. - С. 6-11.

19) Белоглазов, И. Н. Твердофазные экстракторы / И. Н. Белоглазов. -Л.: Химия, 1985.-240 с.

20) Бойко, В. Л. Экстракция растительного сырья с применением электрического разряда в жидкости / В. Л. Бойко, И. В. Мизиненко // Химико-фармацевтический журнал. - 1970, № 9. - С. 30-40.

21) Борисенко, Т. Н. Методы исследования качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции бродильных производств. В 3 ч. Ч. 3. Технология пива и безалкогольных напитков / Т. Н. Борисенко, Т. И. Нуштаева. - Кемерово, КемТИПП, 2003. - 104 с.

22) Буянова, И. В. Обоснование использования ягодных экстрактов в

кисломолочных напитках. / И. В. Буянова, Е. М. Чмаро // Сборник научных работ «Новые технологии и продукты». - Кемерово, 1992. - С. 37-39.

23) Василик, И. Н. Интенсификация процесса экстрагирования в ликеро-водочном производстве: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. -Киев, 1981. -23 с.

24) Василик, И. Н. Экстрактор для получения настоев и морсов при кипении под вакуумом / И. Н. Василик // Ферментная и спиртовая промышленность, 1979, № 2. - С. 20-21.

25) Вентцель, Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. - М.: Высшая школа, 2000. - 480 с.

26) Видинеев, Ю. Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования / Ю. Д. Видинеев // Журн. Всесоюз. хим. Общ-ва им. Д. И. Менделеева. - 1988, т. 33, № 4. - С. 397-404.

27) Виноградов, К. И. Разработка ступенчатого способа непрерывного получения экстракта из обжаренного кофе: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 1987.-262 с.

28) Глузман, М. X. Применение поверхностно-активных веществ для интенсификации процесса экстракции лекарственных веществ из растительного сырья / М. X. Глузман, В. И. Дашевская // Медицинская промышленность СССР, 1964, № 9. - С. 38-40.

29) Гмурман, В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике / В. Е. Гмурман . - М.: Высш. шк., 2000.-400 с.

30) Головин, П. В. Общий коэффициент диффузии сахара при извлечении его из свекловичной стружки / П. В. Головин // Укр. хим. журн. -1958, т. 24, вып. 4. - С.554-556.

31) Гончаренко, Г. Н. Экстракция лекарственных веществ из растительного сырья: дисс. ... док. техн. наук. - Харьков, 1971. - 300 с.

32) Горлов, М. Д. Разработка и исследование вибрационного массообменного аппарата для экстрагирования плодово-ягодного сырья: дисс. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 2004. - 157 с.

33) ГОСТ Р 51174-98. Пиво. Общие технические условия. - Введ. 1999.01.07. - Москва : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1999. - 12 с.

34) ГОСТ Р 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством. - Введ. 1982.18.10. - Москва : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1999. - 10 с.

35) ГОСТ Р 29294-92. Солод пивоваренный ячменный. Технические условия. - Введ. 1993.01.06. - Москва : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1993.- 17 с.

36) Грачёв, Ю. П. Математические методы планирования экспериментов / Ю. П. Грачёв. -М.: Пищевая промышленность, 1979. -200 с.

37) Губиев, В. К. Интенсификация процесса массообмена при СВЧ экстракции в системе «жидкость — твердое тело» / В. К. Губиев, В. П. Вакулин, В. В. Иванов // Тез. докл. Всесоюзной научной конференции «Пути совершенствования технологических процессов и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания». - МТИПП, 1984.-С. 238-23.

38) Гусев, Ю. И. Конструирование и расчет машин химических производств / Ю. И. Гусев, И. Н. Карасев, Э. Э. Кольман-Иванов. - М.: Машиностроение, 1985. -408 с.

39) Деренько, О. Н. О содержании и накоплении биологически активных соединений в плодах рябины обыкновенной / О. Н. Деренько, Н. И. Супрунов // Тез. докладов 3-го Всесоюзного съезда фармацевтов, Кишинёв. - 1980. - 204 с.

40) Дронов, С. Ф. Динамическая теория извлечения сахара из свёклы диффузионным способом / С. Ф. Дронов -М.: Пищепромиздат, 1952. - 97 с.

41) Дронов, С. Ф. Кинетика процесса диффузии сахара из свекловичной стружки при разных скоростях движения экстракционной жидкости в межстружечном пространстве / С. Ф. Дронов // Труды ЦНИИ сахарной промышленности. - 1958, вып. 6. - С. 53-87.

42) Ермилов, П. И. Диспергирование пигментов / П. И. Ермилов. М.: Химия. - 1971. -300 с.

43) Жигалов, С. Ф. Влияние гидродинамических условий на эффективность диффузионного процесса / С. Ф. Жигалов // Сахарная промышленность. - 1956, № 1. — С. 46-54.

44) Жигалов, С. Ф. Процессы и аппараты свеклосахарного производства / С. Ф. Жигалов. -М.: Пищепромиздат, 1958. - 607 с.

45) Зайцев, А. М. Теория и практика переработки сыпучих материалов / А. М. Зайцев, Д. О. Бытев, В. Н. Сидоров // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва им. Д. И. Менделеева. - 1988, т. 33, № 4. - С. 390.

46) Запертов, С. В. Совершенствование процесса экстрагирования при производстве чайных экстрактов: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 1981. -239 с.

47) Зологина, В. Г. Экстрагирование биологически активных веществ рябины обыкновенной / В. Г. Зологина, Т. В. Борисова, Б. Д. Левин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003, № 7. - С. 35-37.

48) Иванец, В. Н. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении сухих, увлажненных и жидких комбинированных продуктов / Иванец В. Н., Бакин И. А., Иванец Г. Е. // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - №3. - С. 26-38

49) Иванец, В.Н. Исследование пенообразующих свойств молока при обработке в роторно-пульсационном аппарате / Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Светкина Е.А. // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - №2. - С. 102-106

50) Иванов, П. П. Разработка технологии и аппаратурного оформления производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов для молочной промышленности: дисс. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 2002. - 160 с.

51) Карпович, Н. С. Интенсификация процессов экстрагирования растворимых веществ из свекловичной ткани: автореф. дисс. ... док. техн. наук. -Киев 1985.-46 с.

52) Кафаров, В. В. Методы кибернетики в химии и химической технологии / В.В . Кафаров. -М.: Химия, 1976. -464 с.

53) Кафаров, В. В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В. В. Кафаров, М. Б. Глебов // Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1991. -400 с.

54) Кафаров, В. В. Теоретические пределы усреднения состава потока в аппаратах непрерывного действия / В. В. Кафаров, И. В. Гордин, В. Л Петров // Теоретические основы химической технологии. - 1984, т. 12, № 12. - С. 219226.

55) Кафаров, В. В. Системный анализ процессов химических технологий / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов. - М.: Наука, 1976. - 499 с.

56) Кафаров, В. В. Системный анализ процессов химических технологий / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов, С. Ю. Арутюнов // Процессы измельчения и смешивания сыпучих материалов. - М.: Наука, 1985. - 440 с.

57) Кафаров, В. В. Ре-циклические процессы в химической технологии /

B. В. Кафаров, В. А. Иванов, С. Я. Бродский // В кн. «Итоги науки и техники. Процессы и аппараты химической технологии». - М.: ВИНИТИ, 1982, т. 10. -

C. 87.

58) Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем / В. В. Кафаров, В. А. Петров, В. Г. Мешалкин. - М.: Химия, 1914.-345 с.

59) Качанов, Л. Н. Основы механики разрушения / Л. Н. Качанов. - М.: Наука, 1974.-311 с.

60) Кэмбелл, Д. П. Динамика процессов в химической технологии / Д. П. Кембелл. -М.: Гос. Химиздат, 1962. - 352 с.

61) Киселёва, Т. Ф. Методы исследования качества сырья, полупродуктов и готовой продукции бродильных производств. В 2 ч. Ч. 1. Анализ сырья бродильных производств / Т. Ф. Киселева, Л. В. Пермякова. -Кемерово: КемТИПП, 2001. - 68 с.

62) Киселева, Т. Ф. Методы исследования качества сырья, полупродуктов и готовой продукции бродильных производств. В 2 ч. Ч. 2. Анализ солода / Т.Ф. Киселева. - Кемерово: КемТИПП, 2001. - 56 с .

63) Кокс, Д. Прикладная статистика / Д. Кокс, Э. Снелл. - М.: Мир, 1984. - 200 с.

64) Кунце, В. Технология солода и пива / В. Кунце. - СПб.: Профессия, 2003.-912 с.

65) Лазарева, Т. Я. Основы теории автоматического управления / Т. Я. Лазарева, Ю. Ф. Мартемьянов. - Издательство Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. -352 с.

66) Лобода, П. П. Исследование массоотдачи от твердых тел к жидкости в аппаратах с вибрирующими устройствами: дисс. ... канд. техн. наук. - Киев, 1966.- 154 с.

67) Лыков, А. В. Тепломассообмен / А. В.Лыков // справочник. - 2 изд. перераб. и доп. - М.: Пищевая промышленность, 1978. - 480 с.

68) Лыков, А. В. Явления переноса в капилярно-пористых телах / А. В. Лыков. — М.:Госиздат техн., 1954. - 296 с.

69) Лысянский, В. М. Аналитические и экспериментальные исследования экстракции растворимых веществ из ткани растительного сырья в процессах и аппаратах пищевых производств: дисс. ... док. техн. наук. — Киев, 1969.-586 с.

70) Лысянский, В. М. Процесс экстракции сахара из свёклы / В. М. Лысянский. -М.: Пищевая промышленность, 1973. -224 с.

71) Лысянский, В. М. Экстрагирование в пищевой промышленности / В. М. Лысянский, С. М. Гребенюк. -М.: Агропромиздат, 1987. - 188 с.

72) Лысянский, В. М. Оценка точности интервального расчёта тепло- и массообмена в системе твёрдое тело жидкость / В. М. Лысянский, О. Н. Миссии // Тез. докл. Всесоюзной конференции по экстракции. - Рига, 1997, т. 1. - С. 116-120.

73) Маргулис, М. А. Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях / М. А. Маргулис. - М.: Высшая школа, 1984. - 270 с.

74) Меледина, Т. В. Сырьё и вспомогательные материалы в пивоварении / Т. В. Меледина. - СПб.: Профессия, 2003. - 304 с.

75) Миленькая, Т. С. «Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности»: методические указания для студ. спец. 270500 «Технология бродильных производств и виноделие» заочной формы обуч. / Т.С. Миленькая. - Кемерово.: КемТИПП, 2004. - 40 с.

76) Миссии, О. Н. Определение эффективных режимов проведения процессов экстрагирования в свеклосахарном производстве: дисс. ... канд. техн. наук. - Киев, 1981. - 168 с.

77) Нарцисс, Л. Краткий курс пивоварения: [пер. с нем.] / Л. Нарцисс, В. Бак // пер. с нем. А. А. Куреленкова. - СПб.: Профессия, 2007. - 658 с.

78) Новицкий, Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах /Б. Г. Новицкий. -М.: Химия, 1983. - 192 с.

79) Носова, Л. Н. Рябина как источник биологически активных веществ / Л. Н. Носова, С. К. Сеит-Аблаева // Сборник научных работ «Биотехнология и процессы пищевых производств». - Кемерово, 2000. - С. 111.

80) Остриков, Ю. В. Процессы и аппараты пищевых производств / А. Н. Остриков, Ю. В. Красовицкий, А. А. Шевцов. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 1312 с.

81) Панфилов, В. А. Системный подход к проблеме развития машинных технологий в перерабатывающих отраслях / В. А. Панфилов // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - 1995, № 1-2. - С. 89-97.

82) Партон, В. 3. Динамическая механика разрушения / В. 3. Партон, В. Г. Борисковский. -М.: Машиностроение, 1985. -263 с.

83) Пат. 2186606 Россия, МКИ 7 В 01 Б 11/02 Массообменный аппарат / Иванец В.Н., Потапов А.Н., Шушпанников А.Б., Судницын А.В. // Опубл. 10.08.2002, Бюл. № 22.

84) Пат. 2190462 РФ, МКИ 7 В01Б 7/28. Роторно-пульсационный аппарат /Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Афанасьева М.М., Сафонова Е.А., Артемасов В.В.// Опубл. 10.10.2002, Бюл. №28.

85) Пат. № 2257257 РФ, МПК В01Р 7/28 В01Б 7 / Многосекционный роторно-пульсационный аппарат / Грунич С. В., Иванец Г. Е., Артемасов В. В., Аверкин С. В., Светкина Е. А. // опубл. 27.07.2005, Бюл. № 7.

86) Пат. № 2397793 РФ, МПК B01D 11/02 D01F 7/00 / Роторно-пульсационный экстрактор с направляющими лопастями / Потапов А. Н., Светкина Е. А., Попик А. М., Просин М. В. // опубл. 27.08.2010, Бюл. № 24.

87) Петелько, А. Д. Разработка совместного способа экстрагирования лакричного корня и зверобоя в непрерывном потоке: дисс. ... канд. техн. наук. -Москва, 1988.-202 с.

88) Помозова, В. А. Совершенствование процесса затирания при производстве пива / В. А. Помозова, А. Н. Потапов, У. С. Потитина, М. В. Просин// Вестник КрасГАУ. - 2012. -№ 12 (75).-С. 191-196

89) Позняковский, В. М. Экспертиза напитков / В. М. Позняковский, В. А. Помозова, Т. Ф. Киселева. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1999. -334 с.

90) Пономарёв, В. Д. Экстрагирование лекарственного сырья / В. Д. Пономарёв. -М. Медицина, 1976. —274 с.

91) Потапов, А. Н. Интенсификация процесса экстрагирования в роторно-пульсационном аппарате новой конструкции / А. Н. Потапов, М. В. Просин, А. М. Магилина, У. С. Потитина // Известия высших учебных заведений «Пищевая технология». - 2013. - № 1 (331). - С. 97-99

92) Потапов, А. Н. Интенсификация процессов извлечения каротиноидов из сушёного жома облепихи: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 1989. - 183 с.

93) Потапов, А. Н. Разработка экстракторов для системы «твердое тело -жидкость» / А. Н. Потапов, М. В. Просин, А. М. Магилина, М. В. Понамарева // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - № 3 (30). - С. 80-85

94) Промтов, М. А. Пульсационные аппараты роторного типа / М. А. Промтов. -М.: Изд-во "Машиностроение", 2001.-247 с.

95) Ребиндер, П. А. Избранные труды. Физико-химическая механика / П. А. Ребиндер. - М.: Наука. - 1979. - 384 с.

96) Романков, С. П. Экстрагирование из твердых материалов / С. П. Романков, М. И. Курочкина. - JI: Химия, 1983.-256 с.

97) Рудобашта, С. П. Массоперенос в системах с твердой фазой / С. П.

Рудобашта. - M.: Химия, 1980. - 248 с.

98) Сафонова, Е. А. Разработка и исследование роторно-пульсационного аппарата при получении жидких комбинированных продуктов питания: дис. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 2003. — 185 с.

99) Светкина, Е. В. Разработка и исследование многосекционного роторно-пульсационного аппарата для производства аэрированных продуктов питания: дис. ... канд. техн. наук. — Кемерово, 2006. — 164 с.

100) Сергеев, В. Д. Интенсификация процесса экстрагирования лакричного корня в непрерывном потоке: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 1987.-212 с.

101) Сизова, JI. С. «Рефрактометрический метод анализа» методические указания к лабораторным работам / JI. С. Сизова. - Кемерово, КемТИПП. -1993.-32 с.

102) Силин, П. М. Некоторые усовершенствования в теории работы диффузионных аппаратов / П. М. Силин // Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1967, № 13.

103) Силин, П. М. Технология сахара и свеклосахарного производства/ П. М. Силин. -М.: Пищепром, 1958. - С. 601.

104) Силин, П. М. Технология сахара/ П. М. Силин // 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Пищевая промышленность, 1967. -625 с.

105) Соболь, И. М. Численные методы Монте-Карло / И. М. Соболь. - М.: Наука, 1973.-313 с.

106) Стабников, В. Н. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств / В. Н. Стабников. - Киев.: Вища школа, Головное изд-во, 1982. -199 с.

107) Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств / В. Н. Стабников, В. М. Лысянский, В. Д. Попов. -М.: Агропромиздат, 1985. - 503 с.

108) Стратиенко, О. В. Исследование массообмена при интенсификации процесса экстракции сахара из свекловичной стружки: дисс. ... канд. техн. наук. - Киев, 1971. - 176 с.

109) Талалаев, Г. К. Закономерности экстракции фенолов в экстракторе с вибрирующими тарелками / Г. К. Талалаев, В. А. Иващенко // Кокс и химия. -1967. -С. 26-31.

110) Тубольцев, В. К. Алгоритм и программа обработки экспериментальных данных методом Брандона / В. К. Тубольцев, А. К. Тубольцев, Г. М. Нейгауз // Труды ВНИЭКИ продмаша. - 1979, № 3. - С. 45.

111) Федоренко, Б. Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование отрасли. Учебник для студентов ВУЗов / Б. Н. Федоренко. -СПб.: Профессия, 2009. - 1016 с.

112) Фридман, В. М. Ультразвуковая химическая аппаратура / В. М.Фридман. -М.: Машиностроение, 1967. -211 с.

ИЗ) Харламов, С. В. Конструирование технологических машин и аппаратов / С. В. Харламов. - JI.: изд-во Ленинигр. ун-та, 1974. - 224 с.

114) Харламов, С. В. Практикум по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств / С. В. Харламов. - Л.: Агропромиздат. Ленинградское отделение, 1991. - 256 с.

115) Хорунжина, С. И. Химия солодовенного и пивоваренного производств: учеб. пособие / С. И. Хорунжина. - Кемерово, КемТИПП. - 2006. - 124 с.

116) Чхаидзе, Ш. В. Интенсификация процесса экстрагирования чая: дисс. ... канд. техн. наук. - Киев, 1984. -254 с.

117) Шупов, Л. П. Математические модели усреднения / Л. П. Шупов. -М.: Недра, 1978. -225 с.

118) Diankov, S. Modeling of multistage extraction kinetics for nicotiana tabacum 1. - water system / S. Diankov, E. Simeonov, K.Tomova // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2008. -№ 1 (43). - p. 119-124.

119) Jokic, S. Modeling of the process of solid-liquid extraction of total polyphenols from soybeans / S. Jokic, D. Velic, M. Bilic, A. Bucic-Kojic, M. Planinic, S. Tomas // Czech J. Food Sci., 2010. - Vol. 28, No. 3. - p. 206-212.

120) Nyam, K. L. Optimization of supercritical C02 extraction of phytosterol-

enriched oil from Kalahari melon seeds / K. L. Nyam, C. P. Tan, O. M. Lai, K. Long, Y. B. C. Man // Food Bioprocess Technology, 2011. -№ 4. - p. 1432-1441.

121) Périno-Issartier, S. Solvent Free Microwave-Assisted Extraction of Antioxidants from Sea Buckthorn (Hippophae rhamnoides) Food By-Products / S. Périno-Issartier, Zill-e-Huma, M. Abert-Vian, F. Chemat // Food Bioprocess Technology, 2011. -№ 4. -p. 1020-1028.

122) Taralkar, S. V. Solid-liquid extraction process of active ingredients from medicinal plants mathematical models / S. V. Taralkar, D. J. Garkal // International Journal of Chemical Sciences and Applications, 2010. - Vol 1. - p. 82-85.

123) Takeuchi, T. M. Characterization and Functional Properties of Macela (Achyrocline satureioides) Extracts Obtained by Supercritical Fluid Extraction Using Mixtures of C02 Plus Ethanol / Thais M. Takeuchi, M. Laura Rubano, M. Angela, A. Meireles // Food Bioprocess Technology, 2010. -№ 3. - p. 804-812.

124) Vauchel, P. A New Process for Extracting Alginates from Laminaria digitata: Reactive Extrusion / P. Vauchel, R. Kaas, A. Arhaliass, R. Baron, J. Legrand // Food Bioprocess Technology, 2008. -№ 1. - p. 297-300.

Приложения

Экспериментальные данные зависимости концентрации плодово-ягодного экстракта от количества лопастей РПА

Время, мин Без лопастей 4 лопасти 8 лопастей 12 лопастей

С,% С,% С,% С,%

0 0 0 0 0

5 1,5 1,6 2Д 2,3

10 2,7 3,3 3,9 4,1

15 3,8 4,6 5,8 6

20 5,1 5,9 7 7

25 6 6,3 7,1 7,1

30 6,3 6,6 7,1 7,1

Экспериментальные данные зависимости мощности от количества установленных лопастей в РПА

Частота вращения ротора, об/мин Без лопастей 4 лопасти 8 лопастей 12 лопастей

Мощность N, Вт Мощность И, Вт Мощность N. Вт Мощность КГ, Вт

1000 75 70,5 63,75 80,25

1250 120 112,8 102 128,4

1500 155 145,7 131,75 165,85

1750 170 159,8 144,5 181,9

2000 177 166,38 150,45 189,39

2250 190 178,6 161,5 203,3

2500 205 192,7 174,25 219,35

Экспериментальные данные зависимости размера частиц от продолжительности обработки в РПА

Время, мин Без лопастей 8 лопастей

Размер частиц й, мм Размер частиц й, мм

0 3 3

0,5 0,7 0,2

1 0,3 од

1,5 0,1 од

2 0,1 од

2,5 од од

3 од од

Экспериментальные данные затрат мощности на разрушение зерен солода

Время, сек Без лопастей 8 лопастей

Мощность N, Вт Мощность N, Вт

0 0 0

15 425 425

30 415 290

45 305 215

60 248 190

75 210 189

90 200 190

105 194 191

120 190 189

135 191 188

150 188 189

165 187 190

180 190 189

Расчетный лист регрессионного анализа в программе «Excel»

№ XI Х2 ХЗ Y1 Y2 Y3 Yep Дисп Y теор

1 65 1000 5 10,4 11.1 9,6 10,4 0,6093013 9,957

2 75 1000 5 16,9 18,1 18,3 17,7 0,542659 17,190

3 70 1000 5 14,5 15,5 13,3 14,5 1,1844083 15,823

4 65 2000 5 13,3 14,2 14,4 14,0 0,336091 13,450

5 75 2000 5 19,5 20,9 17,9 19,4 2,142075 20,683

6 70 2000 5 19,2 20,5 20,7 20,2 0,700416 19,315

7 65 1500 5 10,8 11,6 9,9 10,8 0,657072 11,703

8 75 1500 5 18,5 19,8 20,0 19,4 0,650275 18,937

9 70 1500 5 17,7 18,9 16,3 17,6 1,764867 17,569

10 65 1000 15 12,2 13,1 13,2 12,8 0,282796 12,369

11 75 1000 15 19,4 20,8 17,8 19,3 2,1201613 19,602

12 70 1000 15 17,1 18,3 18,5 18,0 0,555579 18,235

13 65 2000 15 15,5 16,6 14,3 15,4 1,3534083 15,861

14 75 2000 15 21,8 23,3 23,5 22,9 0,902956 23,095

15 70 2000 15 21,5 23,0 19,8 21,4 2,6040083 21,727

16 65 1500 15 13,1 14,0 14,1 13,8 0,326059 14,115

17 75 1500 15 21,0 22,5 19,3 20,9 2,4843 21,348

18 70 1500 15 20,1 21,5 21,7 21,1 0,767619 19,981

19 65 1000 10 12,0 12,8 11,0 12,0 0,8112 11,919

20 75 1000 10 19,0 20,3 20,5 20,0 0,6859 19,152

21 70 1000 10 16,5 17,7 15,2 16,4 1,533675 17,784

22 65 2000 10 15,0 16,1 16,2 15,8 0,4275 15,411

23 75 2000 10 21,5 23,0 19,8 21,4 2,6040083 22,644

24 70 2000 10 20,9 22,4 22,6 21,9 0,829939 21,277

25 65 1500 10 13,0 13,9 12,0 13,0 0,9520333 13,665

26 75 1500 10 20,7 22,1 22,4 21,7 0,814131 20,898

27 70 1500 10 19,5 20,9 17,9 19,4 2,142075 19,531

Расчетный лист регрессионного анализа в программе «Excel»

Количество опытов 27

Количество повторностей опытов 3

Количество параметров уравнения 10

Верхний уровень 75 2000 15

Нижний уровень 65 1000 5

Интервал 5 500 5

Центр плана 70 1500 10

D(yr) Дисперсия воспроизводимости единичного результата 1,140167

D(y) Дисперсия воспроизводимости среднего значения 0,380056

D(bi) Дисперсия коэффициентов 0,023578

s(bi) Среднеквадратичное отклонение коэффициентов 0,15355

f Число степеней свободы 54

q Уровень значимости (принимается) 0,05

t(P;f) Критерий Стьюдента 2,004879

e(bi) Доверительная ошибка коэффициентов 0,307849

n' Число значимых коэффициентов 6

Бад Дисперсия неадекватности 0,662587

F Критерий Фишера (расчетный) 1,743395

fl Число степеней свободы числителя 21

ß Число степеней свободы знаменателя 54

Ft Критерий Фишера (табличный) 1,754757

Уравнение адекватно описывает процесс

Значимые ВО В1 В2 вз В1В2 В1ВЗ В2ВЗ В11 В22 взз

-126,665 3,510419 0,003493 0,845656 0 0 0 -0,02249 0 -0,03022

т = const = 5 мин

Поверхности отклика регрессионного анализа

т = const = 10 мин т = const = 15 мин

I = СОПБ1 = 65 °С

Поверхности отклика регрессионного анализа

I = со1Ы = 70 °С

I = сопб! = 75 °С

■121

З19

013 ВЗ ш

Поверхности отклика регрессионного анализа

п = сош! = 1000 об/мин

п = сош1 = 1500 об/мин

п = сош! = 2000 об/мин

118 ¡16 3 14

¡12 10

■ 18 I 11В

■ 22 ■¡20

Г~~116

Экспериментальные данные кинетики влагопоглощения частиц солода

Время, мин 1 = 60 °С 1 = 70 °С 1 = 80 °С

41 42 4з Чср 41 42 4з 4сР 41 42 4з 4сР

0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

5 0,04 0,03 0,04 0,04 0,05 0,04 0,05 0,05 0,06 0,05 0,06 0,06

10 0,08 0,07 0,08 0,08 0,09 0,08 0,09 0,09 0,10 0,09 0,10 0,10

15 0,08 0,08 0,08 0,08 0,09 0,09 0,09 0,09 0,10 0,11 0,11 0,11

20 0,10 0,09 0,10 0,10 0,11 0,11 0,10 0,11 0,13 0,12 0,12 0,12

25 0,12 0,12 0,11 0,12 0,13 0,13 0,12 0,13 0,14 0,14 0,13 0,14

30 0,13 0,13 0,12 0,13 0,14 0,14 0,12 0,13 0,15 0,15 0,13 0,14

Экспериментальные данные по извлечению в диффузионной камере

время, мин г = 60 °с 1 = 70 °С 1 = 80 °С

Сь % с2, % С3, % Сср, % Сь % с2, % С3, % Сср, % Сь % с2, % С3, % Сср, %

0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5 0,4 0,4 0,4

2 0,3 0,4 0,4 0,4 0,7 0,6 , 0,6 0,6 0,8 0,7 0,7 0,7

3 0,5 0,5 0,5 0,5 0,9 0,8 1,0 0,9 1,2 1,2 1,2 1,2

4 0,6 0,7 0,6 0,6 1Д 1,2 1,2 1,2 1,5 1,5 1,4 1,5

5 0,8 0,8 0,8 0,8 1,4 1,3 1,4 1,4 1,8 1,7 1,8 1,8

6 1,0 1,1 1,0 1,0 1,7 1,7 1,6 1,7 2,2 2,2 2,2 2,2

7 1,2 1,2 1,2 1,2 1,9 1,8 1,9 1,9 2,5 2,6 2,5 2,5

8 1,4 1,4 1,4 1,4 2,3 2,2 2,1 2,2 2,9 3,0 2,8 2,9

9 1,7 1,7 1,7 1,7 2,5 2,5 2,5 2,5 3,3 3,4 3,4 3,4

10 1,9 2,0 2,0 2,0 2,8 2,9 2,8 2,8 3,7 3,7 3,7 3,7

11 2,0 2,0 2,0 2,0 3,1 3,1 3,0 3,0 4,0 4,1 4,0 4,0

12 2,2 2,2 2,2 2,2 3,3 3,3 3,3 3,3 4,4 4,5 4,4 4,4

13 2,4 2,4 2,4 2,4 3,6 3,6 3,5 3,6 4,7 4,8 4,8 4,8

14 2,6 2,6 2,6 2,6 3,9 3,9 3,8 3,9 5Д 5,2 5,1 5,1

15 2,7 2,8 2,8 2,8 4,2 4,2 4,1 4Д 5,4 5,6 5,5 5,5

Расчетные значения коэффициента диффузии

время, мин Х = 60°С 1 = 70 °С 1=80 °С

С, % Бо Б*105, м2/с С, % Ио Б*Ю\ м2/с С,% Бо 0*Ю5, м2/с

0

1 0,2 0,027 0,521 0,3 0,0348 0,477 0,4 0,0462 0,433

2 0,4 0,078 0,895 0,6 0,084 0,909 0,7 0,0696 0,923

3 0,5 0,11 1,533 0,9 0,0756 1,482 1,2 0,063 1,430

4 0,6 0,11 1,875 1,2 0,0576 1,808 1,5 0,0624 1,741

5 0,8 0,054 1,954 1,4 0,0576 1,925 1,8 0,072 1,895

6 1,0 0,0192 2,053 1,7 0,0576 2,127 2,2 0,0816 2,200

7 1,2 0,018 2,107 1,9 0,054 2,320 2,5 0,084 2,533

8 1,4 0,02 2,317 2,2 0,0648 2,609 2,9 0,1 2,900

9 1,7 0,021 2,365 2,5 0,065 2,644 3,4 0,011 2,923

10 2,0 0,025 2,430 2,8 0,0651 2,725 3,7 0,014 3,020

11 2,0 0,024865 2,502 3,0 0,074855 2,871 4,0 0,059342 3,240

12 2,2 0,021704 2,570 3,3 0,077995 3,035 4,4 0,060084 3,500

13 2,4 0,018542 2,645 3,6 0,081136 3,093 4,8 0,060825 3,540

14 2,6 0,01538 2,732 3,9 0,084277 3,232 5,1 0,061567 3,732

15 2,8 0,012218 2,803 4,1 0,087418 3,343 5,5 0,062309 3,882

Расчетные значения критерия Био и коэффициента массоотдачи

Время, мин С,% В*104, м/с

0 0 0 0

1 2,3 1,52 0,7

2 5,7 2,77 1,5

3 8,4 3,74 2,4

4 10,6 4,56 3,3

5 13,3 5 4,2

6 13,7 5,9 5

7 14 6,9 5,6

8 14,4 7,58 6,2

9 14,8 8,06 6,7

10 15 9,55 7,1

11 15,1 10,5 7,2

12 15,2 15 7,3

13 15,3 25,3 7,4

14 1,4 37,5 7,5

15 15,5 51,29 7,59

УТВЕРЖДАЮ

Ректор ФГБОУ ВПО КемТИПП

Директор производственного

объединения

О'

.Ю.

АКТ

Испытаний роторно-пульсационного экстрактора с направляющими лопастями на стадии затирания, при производстве пива.

Комиссия в составе:

- Бочкова М. В. (старший микробиолог ООО «Пивоварня-1964»);

- Потапов А. Н. (доц. каф. «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП, к.т.н.);

- Просин М. В. (аспирант каф. «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП).

- Пыжова М. В. (аспирант каф. «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП).

Провела испытания роторно-пульсационного экстрактора с направляющими лопастями (пат. РФ № 2397793) на стадии затирания, для последующего приготовления пива. В процессе затирания использовался солод светлый ячменный и вода, в соотношении 1:3. Параметры роторно-пульсационного экстрактора и режимы его работы:

• количество направляющих лопастей - 8,

• зазор между ротором и статором - 0,1 мм,

• частота вращения ротора - 1700 об/мин,

• температура процесса - 70 °С,

• продолжительность обработки - 10 мин.

Испытания проводились с 15 января по 17 февраля 2014 г, по результатам которых комиссия установила следующее: Раздел 1. Результаты испытаний.

Испытания роторно-пульсационного экстрактора включили:

- проведение процесса затирания и исследование полученного сусла,

- контроль процесса сбраживания опытного образца,

- приготовление опытного пива.

Влияние обработки заторов в роторно-пульсационном экстракторе на качество сусла представлено в таблице 1.

Таблица 1

Качество сусла

Показатели Контроль При помощи РПА

Массовая доля сухих веществ, % 21,0 21,0

Аминный азот, мг/100 г сухих веществ 273,26 320,33

Содержание полифенолов, мг/100 г сухих веществ 1610,71 510,05

Содержание фракции белка А, мг/100 г сухих веществ 188,58 106

Содержание мальтозы, мг/100 г сухих веществ 12,93 13,08

Цвет, ц. ед. 0,40 0,50

Мутность, ед. опт. плот. 0,46 0,3

Кислотность, к. ед. 0,30 0,30

Из таблицы 1 видно, что в опытном образце сусла одинаковое содержание сухих веществ. Цвет, мутность и кислотность опытных образцов сусла незначительно превышает эти показатели в контрольном сусле. Обработка затора в РПА приводит к более полному расщеплению белка, о чем свидетельствует увеличение количества аминного азота и снижение высокомолекулярных белков в опытном сусле. Содержание фракции белка А, которая отрицательно влияет на коллоидную стойкость пива, снизилось в среднем на 40 % по сравнению с контролем. Опытные образцы сусла содержат значителыю^еныле полифенольных веществ по сравнению с контролем, что в дальнейшем положительно отразится на коллоидной стабильности пива. Это, возможно, связано с тем, что дубильные вещества экстрагируются из оболочек и эндосперма.

Всякое изменение режимов приготовления пивного сусла может отразиться на процессе его сбраживания. Поэтому представляло интерес проконтролировать процесс сбраживания опытных образцов. С этой целью готовили охмеленное сусло, полученное обработкой затора на РПА, и сбраживали его дрожжами. Экстрактивность начального сусла контрольного и опытного образцов составила 11 %.

Полную информацию о брожении можно получить с помощью расчетных кинетических показателей процесса, представленных в таблице 2.

Таблица 2

Основные показатели роста дрожжевой культуры

Показатель Контроль Опыт

Удельная скорость роста, ч"' 0,0099 0,0137

Константа скорости деления, кл/ч 0,0275 0,0653

Время генерации, ч"1 36,36 15,31

Время удвоения биомассы, ч 70,0 50,6

Экономический коэффициент 0,17 0,34

Метаболический коэффициент 0,058 0,040

Показатель Контроль Опыт

Время сбраживания, ч 20,8 15,0

Скорость сбраживания, % сухого вещества/ч 0,048 0,067

Точка флокуляции, % 18,6 43,2

Полученные данные свидетельствуют о том, что в опытном образце активнее размножаются дрожжи, так как интенсивнее протекают обменные процессы за счет более высокой прозрачности опытных образцов и пониженного содержания в них фенольных веществ, большего содержания мальтозы и аминного азота. В опытном образце больше почкующихся и меньше мертвых дрожжевых клеток.

На стадии брожения опытный образец показал себя несколько лучше контрольного. Самый значимый показатель время сбраживания (время, необходимое для сбраживания 1 % экстракта). У опытного образца оно меньше на 30 % по сравнению с контролем.

Показатели качества готового пива представлены в таблице 3.

Таблица 3

Физико-химические показатели готового пива

Показатель Контроль Опыт

Объемная доля спирта, % 4,0 4,2

Кислотность, к.ед. 2,3 2,2

Цвет, ц.ед. 0,9 0,7

Раздел 2. Общая оценка показателей пива, полученного при помощи РПА по результатам испытаний и соответствия требованиям технического задания.

Пиво, полученное при помощи РПА, соответствуют всем требованиям, заданным техническим заданием.

Раздел 3. Выводы и предложения.

Роторно-пульсационный экстрактор новой конструкции (пат. РФ № 2397793) признали выдержащим приемочные испытания.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что обработка заторов в РПА улучшает качество пивного сусла, положительно влияет на процесс брожения и качество готового напитка.

Члены комиссии постановили рекомендовать пивоваренным предприятиям данный экстрактор для производства пива.

Члены комиссии:

- Бочкова М. В. ^^

- Потапов А. Н.

УТВЕРЖДАЮ Ректор ФГБОУ ВПО КемТИПП

И НАЙ®

^ Просеков А. Ю.

ДЕГУСТАЦИОННЫЙ АКТ г.Кемерово 17.02.2014 г.

Дегустационная комиссия в составе:

- Позняковский В. М. (д. б. н., профессор-консультант НИИ переработки и сертификации пищевой продукции)

- Помозова В. А. (д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Технология бродильных производств и консервирования» КемТИПП)