Совершенствование машинно-аппаратурной схемы производства пива на базе малых предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Малахов Юрий Леонидович

• Малахов Юрий Леонидович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Малахов Юрий Леонидович

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПИВА ПРИМЕНЯЕМЫХ НА МАЛЫХ ПИВОВАРЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

ГЛАВА 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА

2.1. Общие положения

2.2. Анализ физико-химических процессов, происходящих на пути трансформации исходного сырья в готовый продукт (пиво)

2.3. Анализ блока «Среда» на различных технологических стадиях производства пива

2.3.1. Анализ блока «Среда» на стадии приготовления солодовенных заторов пивоваренных производств

2.3.2. Анализ блока «Среда» на стадии подогрева сусла

2.3.3. Анализ блока «Среда» на стадии варки охмеленного сусла

2.3.4. Анализ блока «Среда» на стадии охлаждения горячего сусла

2.3.5. Анализ блока «Среда» на стадии аэрации холодного сусла

2.4. Анализ блока «Энергия» на стадии приготовления солодовенных заторов пивоваренных производств

2.5. Анализ блока «Аппарат» применительно к процессу приготовления солодовенных заторов пивоваренных производств

2.6. Описание предлагаемой машинно-аппаратурной схемы производства пива на малых пивоваренных предприятиях

2.7. Постановка задач и составление алгоритма проведения научных исследований, связанных с оценкой возможности использования

конструкции КСИА для проведения процесса затирания

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РЕОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛОДОВЫХ СУСПЕНЗИЙ

3.1. Анализ литературных данных по реологическим исследованиям суспензионных растворов

3.2. Описание экспериментальной установки по изучению реодинамических характеристик солодовых суспензий

3.3. Методики подготовки объектов изучения к их исследованию и проведения экспериментов по изучению реодинамических характеристик солодовых суспензий

3.4. Методика обработки результатов экспериментов по изучению реодинамических характеристик солодовых суспензий

3.5. Результаты экспериментов по изучению реодинамических характеристик солодовых суспензий

По результатам экспериментальных исследований реодинамических характеристик солодовых суспензий можно сделать следующие выводы:.... 154 ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УНОСА ГАЗА СВОБОДНЫМИ СУСПЕНЗИОННЫМИ СТРУЯМИ В НИСХОДЯЩИЙ МНОГОФАЗНЫЙ ПОТОК

4.1. Механизм уноса газа свободными струями жидкости в трубы КСИА

4.2. Состояние вопроса по изучению уноса газа свободными суспензионными струями. Постановка задач экспериментальных исследований

4.3. Экспериментальные исследования по уносу газовой фазы свободными суспензионными струями

4.3.1. Описание экспериментальной установки по исследованию уноса газа свободными суспензионными струями

4.3.2. Методика определения уноса газа свободными суспензионными

струями

4.4. Результаты экспериментальных исследований уноса газа свободными суспензионными струями в вертикальные трубы струйно-инжекционного

аппарата

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБАХ КСИА

5.1. Анализ литературных данных по исследованию гидродинамической обстановки в трубах КСИА при движении в них многофазных сред. Постановка задач исследований

5.2. Полуэмпирическое решение задачи описания гидродинамики трехфазной смеси в вертикальных трубах КСИА в условиях ее струйного образования

5.3. Описание экспериментальной установки, методики проведения экспериментов и обработки полученных данных

5.4. Проверка параметров затирания солода в КСИА

5.5. Выводы по результатам экспериментов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Список использованной литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ПРИЛОЖЕНИЕ З

ПРИЛОЖЕНИЕ И

ПРИЛОЖЕНИЕ К

225

ПРИЛОЖЕНИЕ Л

ПРИЛОЖЕНИЕ М

ПРИЛОЖЕНИЕ Н

ПРИЛОЖЕНИЕ О

ПРИЛОЖЕНИЕ П

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование машинно-аппаратурной схемы производства пива на базе малых предприятий»

РЕФЕРАТ

Актуальность темы. Одной из основных задач, стоящих перед всеми отраслями пищевой промышленности, является повышение эффективности производства за счет снижения капитальных затрат на его создание, интенсификация технологических процессов и повышение качества конечного пищевого продукта. Это в полной мере касается и пивоваренной промышленности. Рост цен на сырьевые и энергетические ресурсы, появление, на отечественном рынке сбыта, в большом количестве зарубежной пивной продукции, изготавливаемой по зарубежным технологиям и на зарубежном оборудовании, существенно осложнили экономическую ситуацию, в которой оказалась отечественная пивоваренная промышленность. Монополизация рынка сбыта пивоваренной продукции в России крупными зарубежными компаниями привела к снижению производства пива в нашей стране.

Это связано, на наш взгляд, с ограниченным ассортиментом выпускаемой пивной продукции предприятиями-монополистами, продвигающими свои марки пива и изменением покупательского спроса. Постоянно возрастающее требование потребителей пива, к наличию на прилавках магазинов разнообразного и качественного ассортимента этого напитка, уже не позволяет удовлетворять их потенциальный спрос старыми брендами.

Исторически так сложилось, что эти неформальные мероприятия любителей пива, во всем цивилизованном мире, проводятся в пивных барах, кафе, пивных ресторанах. В свою очередь, с целью повышения спроса на свою продукцию, производители пива стали организовывать мини производства при этих предприятиях общественного питания. Более того, наиболее эффектное оборудование мини пивзаводов смонтировано таким образом, что у посетителей создается впечатление непосредственного участия в технологическом процессе производства их любимого напитка, что неизбежно отражается на степени доверия к нему.

Таким образом, изменить сложившуюся ситуацию с падением производства пива, может создание малых пивоваренных предприятий, при условии использования современных достижений в области технологии пивоварения и наличия современного отечественного технологического оборудования.

Важнейшим условием, гарантирующим успешное развитие малых пивоваренных предприятий, является наличие на российском машиностроительном рынке универсального, технологического оборудования, позволяющего осуществлять в нем, не один, а несколько стадий технологического процесса.

Учитывая, что технологии подготовки зернового сырья к сбраживанию для спиртовой отрасли промышленности и в пивоваренной отрасли, в определенной степени, близки, то для совершенствования машинно-аппаратурной схемы производства пива малыми предприятиями была принята концепция последовательного проведения ряда технологических процессов в одном аппарате.

Такой подход к комплектованию технологическим оборудованием машинно-аппаратурных схем производства пивоваренной продукции позволит значительно снизить капитальные затраты на организацию новых малых предприятий и, как следствие, уменьшить сроки его окупаемости, что представляется, на современном этапе, актуальной задачей.

В свою очередь, разработка такого оборудования требует теоретических и экспериментальных исследований гидродинамических процессов, происходящих в рабочем объеме аппарата, а также изучения реологических свойств солодовых суспензий.

Степень разработанности темы. Исследования опираются на труды отечественных ученых в области разработки технологического оборудования и машинно-аппаратурных схем для производства пива, спирта и напитков на основе воды, овощных, фруктовых соков и молочной сыворотки, изучения механизмов образования и разрушения свободных струй жидкости,

исследований инжекции газовой фазы свободными струями жидкости, гидродинамики, тепло- и массообмена в многофазных, многокомпонентных средах: Агаев К.Э., Анисимов С.А., Блазнов А.Н., Доманский И.В., Дужий А.Б., Ермаков С.С., Ибрагимов Т.С., Новоселов А.Г., Прохорчик И.П., Антипов С.Т., Остриков А.Н., Большаков В.П., Тишин В.Б., Будтов В.П., Консетов В.В., Виестур У.Э., Главачек Ф., Лхотский А., Головня Р.А., Дарков Г.В., Вишняков И.Г., Дедегкаев А.Т., Сивенков А.В., Лышевский А.С., Соколов В.Н., Яблокова М.А., Чеботарь А.В. В работе использован опыт зарубежных исследователей: Blenke H., Kunze W., De Frate L., Rush F.E., Funatsu К., Hsu Y-G, Ratoqawa T., Giborowski J., Bin A., Kumagai M, Endoh K., Imai H., Lin Т, Donnely H., Mc Keogh E.J, Elsawy E.M., Mc Keogh E.J., Ervine

D.A., Mc Carthy M.J, Kirchner W.G, Molloy N.A, Henderson J.B., Van de Sande

E., Smith J., Wolfseder А. и других.

Целью диссертационной работы являются, теоретические и экспериментальные исследования рео- и гидродинамики солодовых суспензий в рабочем объеме кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

• Собрать, обобщить и проанализировать данные, имеющиеся в научно-технической и патентной литературе, по состоянию технологии и машинно-аппаратурным схемам производства пива, реализуемых, в настоящее время, на предприятиях малой мощности;

• Базируясь на концепции последовательного проведения нескольких стадий технологического процесса производства пива в одном аппарате, предложить машинно-аппаратурную схему его производства, приемлемую для пивоваренных предприятий малой мощности;

• Разработать конструкцию аппарата, реализующего вышеупомянутую концепцию;

• На основе системного подхода к изучению процессов, происходящих в рабочем объеме выбранной конструкции аппарата, составить алгоритм научных исследований, позволяющих получить все необходимые данные для его гидравлического расчета;

• Провести комплексные экспериментальные исследования реологических свойств солодовых суспензий в диапазоне гидромодулей от 1:6 до 1:2,5 (массовых соотношений измельченного солода и воды) с целью определения коэффициентов динамической вязкости;

• Изучить характерные особенности механизма уноса газовой фазы свободными суспензионными струями в вертикальные трубы кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата и выполнить ее экспериментальную проверку;

• Разработать полуэмпирическую теорию расчета движения трехфазной смеси (воздух-вода-измельченный солод) в вертикальных трубах кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата и выполнить ее экспериментальную проверку Предметом исследования является кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат для возможности объединения нескольких технологических стадий в одном аппарате.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Установлено, что при исследовании технологического процесса затирания солода при производстве пива необходимо применять системный подход, который заключается в исследовании трех блоков: среда - энергия - аппарат;

• Изучен гидродинамический процесс уноса газа в трубах КСИА и установлено, что унос газа зависит от физических свойств суспензии;

• Показано, что солодовая суспензия зависит от напряжений сдвига и что она псевдопластичная жидкость;

• Представлено полуэмпирическое решение задачи математического описания гидродинамики трехфазной смеси в вертикальных трубах КСИА в условиях ее струйного образования.

Практическая значимость заключается в том, что разработана машинно-аппаратурная схема производства пива для малых предприятий, основанная на использовании многофункционального аппарата для последовательного проведения ряда технологических стадий производства пива. Из классической машинно-аппаратурной схемы исключаются теплообменные единицы оборудования, а также ряд емкостей как: подогреватель сусла, предзаторный котел, заторный котел, сусловарочный котел. Получен патент на изобретение № 2663116 РФ. Кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат и способ его применения для производства пива / Новоселов А. Г., Темершин Д. Д., Малахов Ю. Л., Гуляева Ю. Н. -№2017137728; заявл. 27.10.2017, опубл. 01.08.2018. - 12 с.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция последовательного проведения нескольких стадий технологического процесса производства пива в одном аппарате;

2. Результаты экспериментальных исследований реодинамических характеристик солодовых суспензий в широком диапазоне изменения гидромодулей, скоростей сдвига и температур;

3. Результаты исследований уноса газа свободными суспензионными струями в вертикальные трубы;

4. Результаты экспериментальных исследований гидродинамической обстановки в трубах циркуляционного контура КСИА при движении в нем трехфазного потока.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований, выполненные автором, представлены в докладах на Международных и Всероссийских научных конференциях:

IV Всероссийский конгресс молодых ученых - 2015, 07.04.2015 -10.04.2015 г., Санкт-Петербург; V Всероссийский конгресс молодых ученых -

2016, 12.04.2016 - 15.04.2016 г., Санкт-Петербург; VI Всероссийский конгресс молодых ученых - 18.04.2017 - 21.04.2017 г., Санкт-Петербург; XII Всероссийский конгресс молодых ученых - 03.04.2023 - 06.04.2023 г., Санкт-Петербург; VIII Международная научно-техническая конференция «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ» (Санкт-Петербург, 15-17 Ноября 2017 г.); VIII международная научно-практическая конференция «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований» 9.03.2016 - 10.03.2016, North Charleston, USA (заочно); III Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием (14 - 16 Апреля 2016 г.), г. Самара; Международная научно-практическая конференция (11 Марта 2017 г.), г. Екатеринбург; Х Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (24-26 Мая 2017 г.), г. Бийск; XVIII международная научно-практическая конференция (16-17 Февраля 2017 г.), г. Барнаул; Международный научный форум «наука и инновации -современные концепции», г. Москва 2023 г.

Внедрение результатов работы

• Методика проведения процесса затирания солода в КСИА, а также разработанная машинно-аппаратурная схема производства пива переданы в исследовательский центр ООО «Пивоваренная компания «Балтика»;

• Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при изложении лекционного курса и проведения лабораторных занятий по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологических производств» для магистрантов, обучающихся по направлению 15.04.02 - «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Процессы и аппараты пищевых производств», а также лабораторных занятиях по направлению 19.04.01 -«Биотехнология» и 19.04.02 - «Продукты питания из растительного сырья»;

• Приведенные в диссертационной работе, конструкция научно-исследовательского стенда по изучению гидродинамики суспензионных потоков, методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных внедрены в учебный процесс для обучения магистров по направлению «Технологические машины и оборудование» в магистерской программе «Процессы и аппараты пищевых производств» по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологических производств» и издано учебное пособие «Процессы и аппараты биотехнологических производств».

Публикации. Опубликовано 14 научных работ по материалам диссертации, в их числе 5 работ, входящих в перечень ВАК РФ, 1 работа, входящая в базу SCOPUS. Диплом победителя конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга 2017 г., а также получен патент на изобретение № 2663116 РФ. Кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат и способ его применения для производства пива.

Диссертационная работа выполнена на 440 страницах и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка условных обозначений, списка литературы из 114 источников, включая 21 иностранных, содержит 10 таблиц, 53 иллюстрацию и 15 приложений.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Малахов Юрий Леонидович

Выводы

На основе проведенных реологических исследований водно-зерновых суспенз:ш получены значения коэффшшенгов динамической вязкости для суспензий с гидромодулем 1:4; 1:3,5; ЦЗ и <^5 в широком диапазоне скоростей сдвига и температур.

Впервые представлены результаты численных значений коэффициентов трения по дшгне X для водно-ячменных суспензий в плгроком диапазоне концентраций твердой фазы при различных температурах.

На основе полученных данных по исследовашзо гидродинамики течешся водно-зерновых суспензий рассчитаны параметры консистентных кривых и представлены их графические зависимости в виде функщш J" = /( V).

Установлено, что зависимости Р = /( Г') для каждого отдельного гидромодуля носят сложный характер и зависят как от температуры, так и от скорости сдвига.

Полученные уравнения можно рекомендовать для определена численных значений коэффициентов динамической вязкости и коэффициента грешит к при проведении гидравлически расчетов технологических трубопроводов.