Совершенствование технологии переработки творожной сыворотки с использованием новых мембранных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат наук Сазонова Екатерина Константиновна

• Сазонова Екатерина Константиновна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Сазонова Екатерина Константиновна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

1.1 Свойства молочной сыворотки

1.2 Свойства концентрированной сыворотки и сферы ее применения

1.3 Получение и переработка побочных молочных продуктов

1.4 Методы использования сыворотки

1.5 Основные направления развития конструкций мембранных аппаратов

1.6 Методы повышения производительности мембранных аппаратов

1.7 Методы математического моделирования процессов

концентрирования молочного сырья на мембранных аппаратах

Выводы по главе

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Структурная схема исследований

2.2 Описание экспериментальной установки

2.3 Объекты и материалы исследования

2.4 Методы исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ

3.1 Технология производства концентрированной сыворотки с использованием ультрафильтрационных аппаратов с отводом поляризационного слоя

3.2 Исследования потребительских свойств сыворотки и полученного концентрата

Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЫВОРОТКИ В МЕМБРАННЫХ АППАРАТАХ

4.1 Сравнительный анализ кибернетических моделей, описывающих мембранное концентрирование в аппаратах с отводом поляризационного

слоя

4.2 Описание объекта моделирования и математической модели

4.3 Разработка математической модели процесса концентрирования творожной сыворотки в опытно-промышленном мембранном аппарате

4.4 Параметрическая идентификация передаточных функций

4.5 Оценка адекватности математической модели

Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ И ЕГО ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ

5.1 Разработка конструкций мембранных аппаратов

5.2 Экспериментальные исследования опытно-промышленной конструкции мембранного аппарата

5.3 Определение передаточных функций

5.3.1 Определение передаточных функций производительности

по фильтрату

5.3.2. Определение передаточных функций промежуточных параметров

5.3.3. Определение передаточных функций выходных параметров

5.4 Опытно-промышленные испытания предложенной технологии

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Обработка результата и построение уравнение регрессии

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметрическая идентификация модели процесса

мембранного концентрирования

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты испытаний опытно-промышленного мембранного

аппарата

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Нормативно-техническая документация на сыворотку

творожную концентрированную «УФП» (ТУ 10.51.55-271-02068309-2020)

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Патенты на разработанные конструкции

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии переработки творожной сыворотки с использованием новых мембранных аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

В молочной промышленности при переработке молока образуется большой объем вторичного молочного сырья, такого как творожная и подсырная сыворотка, обезжиренное молоко, пахта. В связи с этим перед производством встают экологические и экономические задачи переработки или утилизации данных продуктов.

Переработка является более выгодной, так как позволяет наиболее полно выделить ценные питательные вещества из побочных продуктов, что увеличивает объемы производства на единицу сырья и уменьшает себестоимость продукции. С экологической точки зрения, переработка побочных продуктов пищевого производства позволяет снизить ХПК и БПК сточных вод, что сокращает затраты на очистку стоков.

Перспективным методом переработки молочной сыворотки является концентрирование с помощью ультрафильтрации. Преимуществами мембранных методов являются: энергосбережение, получение высококачественных продуктов, возможность создания на их основе малоотходных технологий и т.д. Процесс мембранного концентрирования протекает без существенного повышения температуры, что способствует сохранению белков в нативной форме, в связи с чем полученные продукты обладают высокой пищевой ценностью и усвояемостью.

Однако, необходимо отметить недостаточность внедрения мембранных методов переработки на производстве. Связано это с меньшей производительностью, нежели у классических методов переработки. Это объясняется образованием на внутренней поверхности мембраны плотного поляризационного (примембранного) слоя. Он характеризуется повышенной концентрацией задерживаемых веществ, затрудняет отвод фильтрата, увеличивает длительность обработки и при несвоевременной очистке при повышенном

давлении переходит в форму геля. Для увеличения производительности мембранных аппаратов целесообразно использовать конструкции с отводом поляризационного слоя и установки, в которых они применяются. Для внедрения новых конструкций немаловажным является моделирование его работы с целью прогнозирования результатов и нахождения оптимальных параметров его работы. Все это позволит сократить продолжительность переработки, улучшит качество получаемых продуктов и создаст основы для организации малоотходных и безотходных технологий.

Для внедрения новых конструкций немаловажным является прогнозирование и расчет оптимальных параметров его работы. Поэтому актуальной является разработка методов моделирования, применимых для оборудования нового типа.

Таким образом, для развития молочной промышленности является перспективным направлением развития совершенствование технологии переработки побочных продуктов производства, а так же создание нового оборудования для такой переработки (такого, как ультрафильтрационные мембранные аппараты).

Мембранные технологии в настоящее время широко используются в различных отраслях промышленности: пищевой, химической, биотехнологии и фармацевтике и др. Это обусловлено высокой эффективностью их использования. К основным достоинствам можно отнести: высокие показатели получаемых продуктов, так как процесс переработки осуществляется без повышения температуры, что важно при переработке биологически активных сред, подверженных инактивации; возможностью проектирования малоотходных и безотходных технологических процессов за счет очистки сточных вод и их повторного использования в производственных циклах; извлечения ценных или экологически опасных веществ, содержащихся в этих водах; сравнительно низкие энергетические затраты на проведение процесса.

Так же мембранные технологии позволяют проводить глубокую переработку побочных продуктов молочной промышленности, таких как

сыворотка.

Мировой мембранный рынок за последние 50 лет ежегодно растет на 8-12 %. При этом порядка 9 % его приходится на биотехнологическую промышленность. Сравнивая отношение объема рынка мембран к объему ВВП развитых стран, получаются достаточно стабильные соотношения.

Мембранные процессы могут быть использованы для обессоливания и очистки белков, концентрирования целевых компонентов, отделения биомассы от культуральных жидкостей, выделения продуктов биосинтеза, стерилизации жидкостей. Все перечисленные процессы широко применяются в производстве витаминов, ферментов, аминокислот, БАВ, углеводов, полисахаридов, антибиотиков и т. п.

Рост объемов использования мембранного оборудования в последнее время обусловлен его экологичностью, а так же вкладом в решение задачи технологического обновления отечественной промышленности.

Сочетание процессов мембранной фильтрации, отвода поляризационного слоя и очистки мембраны позволяет повысить интенсивность мембранных процессов.

Описанный путь развития предусматривает создание мембранных аппаратов новой конструкции, и установок, в основе которых они могут применяться. В связи с этим развитие и внедрение мембранных технологий является сегодня перспективным и необходимым для развития всей промышленности.

Для внедрения нового оборудования немаловажным является прогнозирование и расчет оптимальных параметров его работы. Поэтому актуальной является разработка методов моделирования, применимых для оборудования нового типа.

Объект исследования - технология переработки творожной сыворотки в мембранных аппаратах.

Предмет исследования - установление закономерностей протекания процесса концентрирования творожной сыворотки в ультрафильтрационных

аппаратах новой конструкции.

Цели и задачи исследования. Совершенствование технологии переработки сыворотки в ультрафильтрационных аппаратах новой конструкции с целью обеспечения получения безопасных пищевых продуктов с заданными качественными характеристиками.

Этапами достижения указанных целей являются решения следующих задач:

1. Изучить состав, физико-химические и потребительские свойства творожной сыворотки и ее концентрата, полученного по предложенной технологии. Оценить технологические потери белка сыворотки при переработке.

2. Разработать новые конструкции ультрафильтрационных аппаратов и многоступенчатую схему переработки сыворотки на их основе для повышения производительности и эффективности переработки вторичного молочного сырья.

3. Математическое моделирование процесса концентрирования творожной сыворотки в мембранных аппаратах новой конструкции. Оценка адекватности и прогностической способности разработанной модели.

4. Определить влияние технологических параметров работы мембранного аппарата на содержание сухих веществ в концентрате сыворотки.

5. Провести промышленные испытания усовершенствованной технологии концентрирования сыворотки и оборудования для ее реализации на молочных предприятиях.

Научная новизна. Предложена усовершенствованная технология переработки молочной сыворотки методом ультрафильтрации, которая позволяет создать основу для организации малоотходных и безотходных. Найдены рациональные параметры процесса переработки творожной сыворотки, при которых достигается максимальная концентрация сухих веществ в концентрате.

Результаты исследований опытно-промышленной конструкции мембранного аппарата нового типа. Уравнения регрессионного анализа, построенные по полученным результатам исследований, отражающие взаимосвязь концентрации сухих веществ в концентрате творожной сыворотки от скорости потока сырья в аппарате, давления и продолжительности обработки.

Математическая модель процесса переработки вторичного молочного сырья. В модели отражено совместное влияние процессов, происходящих в мембранном модуле и отводящем устройстве. Разработанная модель применима для описания процесса концентрирования сыворотки на ультрафильтрационных аппаратах различной конструкции, содержащих отводящие устройства.

Практическая значимость и реализация. Предложена усовершенствованная технологическая схема производства сывороточного концентрата с использованием ультрафильтрационных аппаратов новой конструкции.

Разработана и утверждена нормативно-техническая документация на сыворотку творожную концентрированную «УФП» (ТУ 10.51.55-271-020683092020).

Проведенная апробация предложенного оборудования и технологии на ООО НПО «Здоровое питание», показала их эффективность и целесообразность внедрения на предприятиях пищевой промышленности.

Получен акт внедрения на результаты научно-исследовательской работы, производимой на К(Ф)Х «Своя Ферма».

Положения, выносимые на защиту. Технология переработки молочной сыворотки методом ультрафильтрации на аппаратах с отводом поляризационного слоя; результаты исследований физико-химических свойств, пищевой ценности, белкового и микроэлементного состава творожной сыворотки и ее концентрата; математическая модель концентрирования творожной сыворотки в ультрафильтрационных аппаратах новой конструкции; конструкции мембранных аппаратов.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

1.1 Свойства молочной сыворотки

В процессе переработки молочного сырья в молочную сыворотку переходит около 50% сухих веществ цельного молока. При этом почти полностью переходит молочный сахар, минеральные вещества и около 30% белков. Среди белков в сыворотке основную массу составляют Р-лактоглобулин, а-лактоальбумин и иммуноглобулины. Молочный жир переходящий в сыворотки в незначительном объеме, отличается высокой степенью дисперсности от 0,5 до 1 мкм. Кроме того, в сыворотку поступают соли, используемые при приготовлении основного продукта. Также в молочную сыворотку попадают фосфатиды, витамины и другие соединения.

Таким образом, по биологической ценности, сыворотка мало уступает цельному молоку, что делает ее полноценным сырьем. При этом, ее энергетическая ценность почти в 3,5 раза ниже, что делает молочную сыворотку перспективным сырьем для производстве продуктов диетического питания [1].

Плотность и вязкость сыворотки ниже, чем у цельного молока ввиду меньшего содержания сухих веществ, что необходимо учитывать при переработке.

Отдельно стоит отметить значительную обсемененность сыворотки молочнокислыми бактериями в процессе производства продукта, а так же посторонней микрофлорой в процессе сбора и хранения. Кроме того, из основного производства она поступает с температурой, благоприятной для жизнедеятельности микроорганизмов, из-за чего при хранении ее качественные показатели могут ухудшаться. Поэтому рекомендуется перерабатывать сыворотку

в течении 1 — 3 часов после ее получения. А при невозможности переработки в такой срок - подвергать тепловой обработке или консервации, для предотвращения порчи.

С целью увеличения срока хранения сыворотки проводят ее тепловую обработку при температуре 60°С (тепловой порог денатурации сывороточных белков), с дальнейшим охлаждением.

В качестве консервантов могут использоваться 30%-ный раствор пероксида водорода в количестве 0,03%, 40%-ный раствор формальдегида в количестве 0,025%, хлорид натрия 5 - 10%-ной концентрации, а также в отдельных случаях этиловый спирт, сорбиновая кислота и др.

Благодаря высокой биологической ценности, сыворотка находит широкое применение в производстве напитков. Их вырабатывают из натуральной сыворотки как без добавления вкусовых и ароматических веществ, так и с ними. Такие напитки могут быть как свежими, так и сквашенными.

Особой ценностью отличаются белки молочной сыворотки. В них больше незаменимых аминокислот, чем в казеине, при этом их аминокислотный состав ближе к составу женского грудного молока, чем в цельном молоке, что делает возможным использование сыворотки в производстве детских продуктов питания.

1.2 Свойства концентрированной сыворотки и сферы ее применения

В процессе концентрирования сохраняются все компоненты молочной сыворотки, при этом значительно снижаются затраты на транспортировку и повышаются сроки хранения. Однако, для сохранения нативных свойств компонентов, необходимо применение щадящих технологий обработки, при

которых температура сыворотки не должна подниматься выше 50-60 °С, исходя из термической устойчивости сывороточных белков.

Концентрированная сыворотка нашла применение в различных отраслях пищевой промышленности. Так ее применяют в рецептурах помадных, пралиновых конфет, в карамельном производстве - при изготовлении начинок; в шоколадном — для обработки какао-крупки, с целью повышения показателей вкуса шоколадных изделий, при производстве ириса и халвы, для снижения сладости и сахороемкости, повышения вкусовых показателей, уменьшения вытекания масла из халвы благодаря жироудерживающим свойствам сыворотки [2]. В мармеладно-пастильных изделиях концентрированная сыворотка может заменить долю студней и пенообразователей. Разработана технология и рецептура инвертного сиропа с применением сгущенной молочной сыворотки, используемого в производстве мучных кондитерских изделий [3].

В мясной промышленности широко используют концентрированную сыворотку для улучшения вкуса, аромата и текстуры готовых продуктов.

Так же почти любая концентрированная сыворотка может частично заменить другие ингредиенты, традиционно используемые для эмульсификации.

В хлебопекарной промышленности для интенсификации технологического процесса используется творожная или подсырная сыворотка с содержанием сухих веществ не менее 5%. Так же это приводит к снижению расхода муки и повышению биологической ценности хлебобулочных изделий. Для активации бродильной микрофлоры или для интенсификации процесса тестоведения молочной сывороткой заменяют часть воды в рецептуре.

В производстве пшеничного хлеба при использовании жидких дрожжей, молочную сыворотку вносят как на стадии приготовления заварки для них, так и в процессе приготовления питательной смеси. Это приводит к повышению подъемной силы дрожжей, быстрому нарастает кислотность и понижению пенообразования.

При опарных способах тестоведения молочной сывороткой можно заменить части воды как в опаре, так и в тесте. Время брожения такой опары сокращают на

40 - 60 минут. Внесение молочной сыворотки непосредственно при замесе теста ведет к сокращению продолжительности его брожения на 20 - 40 минут.

При ускоренных способах тестоведения целесообразно использовать кислые виды сыворотки, получаемые при производстве творога и пищевого казеина.

Сывороточные концентраты с высокой кислотностью применяются для предупреждения заболевания хлеба картофельной (тягучей) болезнью. Их вводят при замесе теста в количестве 2 - 5% от веса используемой муки.

Применение в хлебопекарной и мясной промышленности позволяет повысить качество продукции, снизить себестоимость, сделать аминокислотный состав вырабатываемой продукции более сбалансированным.

1.3 Получение и переработка побочных молочных продуктов

При производстве творога, сыра и казеина молочная сыворотка является побочным продуктом производства. Она образуется после сворачивания казеина и представляет собой водный раствор молочного сахара (лактозы), белков (альбумина и остатков казеина) и солей, содержит остатки молочного жира. Средние значения кислотности -50-87° Т, плотности - 1017-1028 кг/м3. [4]

Для молочных предприятий большой объем получаемой в производстве сыворотки является проблемой, т.к. требует экономически выгодной и экологически приемлемой переработки или утилизации [5,6].

Как было указано ранее, сыворотка является сопутствующим продуктом при производстве некоторых кисломолочных продуктов. В таблице 1.1 приведено количество сыворотки при производстве различных молочных продуктов.

Таблица 1.1 - Количество получаемой сыворотки при производстве различных молочных продуктов

Продукт Среднее количество получаемой сыворотки в процентах от объема сырья, %

Твердые сыры жирные 81

Твердые сыры полужирные 76

Твердые сыры низкой жирности 71

Творог 75

Как видно из таблицы 1.1 молочная сыворотка вырабатывается молочными предприятиями в очень больших объемах, которые не всегда находят применение.

Экологичная утилизация молочной сыворотки является сложной по причине потребности большого количества кислорода.

Другим важным моментом является то, что вместе с молочной сывороткой из готового продукта уходят крайне полезные вещества, например сывороточный белок. В исходном виде данный продукт практически не имеет объективной ценности по причине малой концентрации сухих веществ (порядка 4-7%). Однако, выделенные и сконцентрированные компоненты имеют весьма широкий спектр применений. Сывороточный концентрат обладает следующими, особо ценными в пищевой промышленности свойствами [7,8]:

• связывает влагу;

• позволяет создавать эмульсии из плохо смешивающихся жидкостей;

• образует пену;

• гелеобразование.

Сывороточные концентраты могут применяться в производстве диетического, спортивного и детского питания с целью повышения доли легкоусвояемых протеинов в питании.

Кроме того, концентрат молочной сыворотки нашёл применение в животноводстве в качестве подкормки скота для нормализации обще-химических

показателей питания, а так же как дополнительный источник витаминов и микроэлементов.

Подробно химический состав творожной сыворотки представлен в таблице

1.2.

Таблица 1.2 - Химический состав творожной сыворотки [6]

Показатель Значение

Концентрация сухих веществ, % 4,1 - 7,5

Из них:

белок 0,750-01,0

лактоза 3,45

минеральные вещества 0,45-0,85

молочный жир 0,04-0,4

В состав сыворотки входят сывороточные белки - альфа-лактальбумин и бета-лактоглобулин. Их ценность в питании человека обусловлена высокой усвояемостью и гипоаллергенностью. Кроме того, сывороточные белки отличаются оптимальным балансом незаменимых аминокислот. Сыворотка богата различными витаминоподобными и минеральными веществами, что делает её ценным продуктом питания.

Из-за большого объема образования сыворотки при основном производстве остро стоит вопрос её дальнейшей переработки и создания безотходных и малоотходных производств [10.. 12]. Поэтому широкое распространение получают различные молочные продукты, обогащенных сывороточными белками, а также хлеб и хлебобулочные продукты, колбасы, десерты, соусы, имеющие в своем составе сыворотку, либо её концентраты.

При переработке сыворотки особое внимание уделяется сохранению белков в нативном виде. Различные классические методы обработки (коагуляция, выпаривание), приводят к денатурации белков. В отличие от них, мембранное

концентрирование позволяет сохранить структуру белков и избежать свертывания [11,12,13].

1.4 Методы использования сыворотки

Методы переработки молочного сырья базируются на принципах либо одновременного использования всех компонентов молочного сырья, либо на разделении и отдельном использовании этих компонентов.

Под безотходным производством подразумевают идеальную модель предприятия, в котором не образуются отходы. По причине того, что молочное сырье является дорогостоящим, целесообразна полная переработка его компонентов. Однако, на сегодняшний день в молочной промышленности происходят технологические потери сухих веществ и отдельных компонентов, которые строго нормируются. Совсем исключить их пока почти не возможно, но современные технологии переработки позволяют существенно снизить эти потери, за счет наиболее полной и рациональной переработки как основного сырья, так и побочных продуктов, таких как сыворотка, обезжиренное молоко, пахта.

Объемы производства сыворотки на молочных предприятиях колоссальны, поэтому верно подобранная технология ее переработки позволит сократить срок окупаемости дополнительного специального оборудования до года и менее.

Концентрирование сыворотки и ее повторное использование

Сыворотка концентрируется с помощью мембранных методов или выпаривания. Полученный концентрат используется в производстве кисломолочных продуктов как добавка. Это увеличивается выход готового продукта до 10 % и более.

Концентрация сывороточного белка и сушка сыворотки

В результате такой переработки получают отдельный товарный продукт — сухой концентрат сывороточного белка. Для реализации такого подхода необходимо внедрение отдельной линии, включающей системы концентрации на керамических мембранах и сушки при помощи специализированных установок.

Сушка кислой сыворотки с предварительным раскислением. На процесс сушки кислой сыворотки отрицательно влияет высокое содержание в ней молочной кислоты. Уменьшить содержание молочной кислоты возможно путем ее нейтрализации - например, бикарбонатом натрия ^аНСОЗ) или карбонатом кальция (СаСОЗ). Творожную сыворотку, кислотностью 620Т, подсгущают до содержания сухих веществ порядка 20-24%, после чего в концентрат температурой 50-55°С вносится раскислитель (СаСОЗ, NаНСО3, №ОН). Раскисление концентрата перед сушкой способствует понижению термопластичности продукта, интенсифицирует процесс сушки, но продукт имеет высокую гигроскопичность и слеживается при хранении даже в герметичной упаковке. Концентрат перемешивается до прекращения реакции и направляется для дальнейшего сгущения.

Мембранное концентрирование сыворотки. Применение для предварительного сгущения сыворотки мембранной установки позволяет удалить из сыворотки до З0% молочной кислоты, минеральных солей и 70% влаги, что облегчает ее дальнейшую переработку.

Сушка творожной сыворотки, обессоленной методом электродиализа. С помощью электродиализа из сыворотки удаляется до 90% минеральных веществ. Величина рН практически не меняется, титруемая кислотность снижается на 70%, удельная электропроводность - на 80%. Электродиализ молочной сыворотки не оказывает существенного влияния на качество и состав сыворотки. Обессоленный раствор лактозы, полученный в результате электродиализа может быть использован для переработка на молочный сахар повышенной чистоты. Низкая концентрация солей в сгущенном растворе лактозы способствует ее быстрой кристаллизации. В результате электродиализной обработки значительно

улучшаются органолептические показатели молочной сыворотки. Возможно обессоливание сыворотки в исходном виде, и после ее подсгущения до концентрации сухих веществ 18-22%.

Подсгущение можно проводить до различной концентрации сухих веществ: 15, 24, 50% и более. В случае, если подсгущение проводится до 50% и более, -возникает необходимость удалять образующиеся кристаллы лактозы. После проведения электродиализа сыворотку досгущают в ВВА до концентрации 5055%. Далее используется обычная схема переработки. Продукт отличается хорошей сыпучестью и низкой гигроскопичностью (13-15%).

1.5 Основные направления развития конструкций мембранных аппаратов

Мембранные процессы широко используются в промышленности: в химической и нефтехимической отросли [2,3,15-17], в биотехнологии и медицине [19-20], в пищевой отросли [21-30], при очистке сточных вод [31-35] и т.д. В молочной промышленности мембранные методы используют для концентрирования сырья (молока, молочной сыворотки, пахты) [36-51].

Для успешного дальнейшего развития технических разработок в данной отрасли необходим всеобъемлющий взгляд на текущий уровень развития данного направления в России и мире. С этой целью было проведено исследование и оценка существующих разработок в конструкции мембранных аппаратов.

Также были проанализированы существующие перспективные направления модернизации мембранного оборудования. Главная проблема и тормозящий фактор внедрения мембранных технологий сегодня - недостаточная производительность. Поэтому, в модернизации конструкций и методов

интенсификации данных аппаратов, на первое место выходят такие направления, которые позволят повысить производительность.

Патентный поиск выполнен по конструкциям и принципам работы мембранных аппаратов, конструктивно направленных более на концентрирование жидких сред, нежели на разделение, что связано со спецификой данной диссертации.

При анализе использовались данные патентных документов. С помощью этих документов можно классифицировать последние направления развития мембранных аппаратов для концентрирования жидких сред следующим образом:

1. конструкции, направленные на отвод поляризационного слоя для его дальнейшего использования как одного из выходных продуктов мембранного концентрирования ([52-55]);

2. конструкции, направленные на воздействие на поляризационный слой с помощью изменения гидродинамической обстановки в аппарате ([56-80]);

3. конструкции, увеличивающие удельную рабочую площадь аппарата ([8184]);

4. конструкции, использующие гидрофильные полимеры для снижения адгезии задерживаемых веществ ([85-88]);

5. конструкции, использующие химические методы повышения производительности ([89-92]);

6. комбинированные конструкции ([93-102]);

7. конструкции, использующие пневматическую очистку мембраны ([103106]);

8. Прочие мембранные устройства ([107-113]).

Типовые аппараты для мембранных процессов можно разделить по типу используемых фильтрующих модулей:

1. Аппараты типа «фильтр-пресс» представляют собой стопку мембран и подложек, образующих межмембранное пространство, расположенных между 2 плитами и стянутых болтами. Проходя через все фильтрующие элементы, раствор концентрируется, продукты непрерывно удаляются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сазонова Екатерина Константиновна, 2020 год

-1- // - -

/ П /

/ 1 / / / / / / / /

П ! Г / / / / / / /

/ / / / / / У t / / ■ /

Л / / # ^ / / / У X у / /

1000

2000

3000 т. сек

4000

5000

6000

Рисунок 4.10 - Зависимость концентрации сухих веществ в отводимом поляризованном слое от продолжительности обработки

(

экспериментальные данные: - расчетные данные)

Результаты сравнения экспериментальных данных и расчетных представлены на рисунке 4.10:

По результатам сравнения 2 массивов полученных данных рассчитано среднее отклонение расчетных значений от экспериментальных, которое составило 3,8% на всем диапазоне измерений (от 0 до 6000 сек).

Таким образом, подтверждена адекватность и прогностическая способность предложенной математической модели концентрирования творожной сыворотки в мембранных аппаратах с отводом поляризационного слоя (4.25).

Проведена оценка, которая показала, что среднее отклонение расчетных данных не превышает отклонения в 5%. Полученный результат свидетельствует о достаточной адекватности модели в приведенных границах исследуемых параметров: концентрация исходной сыворотки 4,9 - 5,1 % масс., давление в аппарате 0,15 - 0,17 МПа, скорость движения сыворотки 0,4 - 0,5 м/с, температура сыворотки 20 - 60° С. Это дает основание использовать полученную математическую модель для инженерного расчета и проектирования оборудования.

1. Разработана модель процесса мембранного концентрирования творожной сыворотки в опытно-промышленном мембранном аппарате новой конструкции, отличающейся отводом поляризацинного примембранного слоя. На основе структурной схемы объекта выделены входные и выходные параметры системы, определены информационные каналы передачи сигналов и допустимые диапазоны значений входных воздействий, получен общий вид модели.

2. Подтверждена прогностическая способность полученной модели путем сравнения расчетных значений концентрации сухих веществ в отводимом поляризованном слое с экспериментальными. Расхождение составило не более 5%.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

ПРЕДЛОЖЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ И ЕГО ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ

5.1 Разработка конструкций мембранных аппаратов

В результате изучения и анализа литературных и патентных источников были разработаны несколько конструкций мембранных аппаратов. Схема одного из них представлена на рисунке 5.1. Его аналогом является аппарат, позволяющий производить очистку внутренней поверхности мембраны не прерывая процесс концентрирования [55].

В ходе работы аппарата через штуцер 16 в него под рабочим давлением поступает исходный раствор (творожная сыворотка). По мере отвода фильтрата через мембрану на ее внутренней поверхности образуется поляризационный слой, содержащий повышенное количество задерживаемых сухих веществ. Данный слой отводится из аппарата через штуцер 2 и кожух 3, при этом центральная часть потока раствора поступает в центральную полость штока 6.

Закрепленные на внутреннем валу 9 лопасти 8 делят внутренняя полость трубчатой мембраны на четыре сектора. В трех из них установлена сетка 14, способствующая формированию поляризационного слоя, препятствуя его размытию в радиальном направлении и сохранению его концентрации, а в четвертом идет механическое и гадродинамическое очищение внутренней поверхности мембраны подвижными турбулизаторами 11. Они создают

интенсивное перемешивание раствора и очищают внутреннюю поверхность мембраны. Сетчатые ограничители 12 удерживают тубулизаторы в секторе.

Рисунок 5.1 - Мембранный аппарат.

В процессе обработки раствора в аппарате происходит накопление задерживаемых веществ в примембранном пространстве других секторов. Затем путем подачи раствора через штуцер 15 производится поворот вала 9. В результате поворота происходит механическая очистка внешними кромками

лопастей. Также возможна подача газа через штуцер 19 с целью прочистки пор мембраны.

Технический результат - повышение производительности аппарата за счет установки описанного устройства.

Таким образом, предложенная конструкция ультрафильтрационного аппарата позволяет производить очистку внутренней поверхности мембраны без остановки процесса концентрирования. Это позволяет повысить производительность аппарата за счет поддержания высокой проницаемости мембраны и сокращения затрат времени на вспомогательные операции.

На данную конструкцию получен патент на изобретение [151].

В качестве другой конструкции был предложен аппарат, представленный на рис. 5.2. [152]

Мембранный аппарат состоит из трубчатой мембраны 1, на конце которой имеется резьба 2, на которую накручивается корпус отводящего устройства 3, внутри которого имеются два коаксиальных конуса 4, 5, между которыми имеется зазор, величина которого уменьшается по длине. Через штуцер 6 производится отвод примембранного слоя. Остальной поток отводится через центральную полость конуса 5.

При концентрировании исходного раствора в приведенном аппарате в следствии отвода пермеата в примембранной области формируется концентрированный слой задерживаемых веществ. Верхняя часть слоя перемещается в направлении движения потока. Корпус 3 с конусами завинчивают по резьбе 2 до тех пор, пока щелевой зазор между конусами 4,5 не достигнет области повышенной концентрации на поверхности мембраны, а затем осуществляют его отвод по щелевому каналу и удаление через штуцер 6. Сужающаяся форма щелевого канала обеспечивает увеличение скорости перемещения среды, что позволяет более интенсивно отводить образующийся поляризационный слой с поверхности мембраны, т.е. увеличить производительность.

Рисунок 5.2 - Мембранный аппарат

Анализ этих конструкций показал, что для проектирования опытно -промышленного аппарата целесообразно использовать вторую. Это обусловлено более простыми техническими решениями и меньшими трудозатратами.

Опытно-промышленный аппарат (рис.5.3) состоит из трех секций 6 длиной 0,2 м. На конце каждой из секций находятся устройства для отвода поляризационного слоя 3. Секция состоит из семи фильтрующих элементов, которые находятся в корпусе 8. Общая площадь фильтрующих элементов в трех секциях составляет 0,0525 м2.

В процессе работы аппарата исходный раствор поступает через штуцер 1 в аппарат и далее в мембранные элементы 2, в которых происходит разделение и концентрирование. Низкомолекулярные соединения проходят через мембрану и собираются в корпусе 8, а затем выводятся через штуцера 7. В процессе мембранной обработки формируется примембранный поляризационный слой, который отводится через штуцера 4. Обедненный раствор выводится через штуцера 5.

Основным элементом конструкции является отводящее устройство и его разработке уделялось особое внимание. При проектировании использовалось 3d моделирование. На рисунке 5.4 представлено устройство в разрезе.

В процессе мембранного концентрирования молочной сыворотки в мембранном модуле с отводом поляризационного слоя происходит постепенное снижение концентрации сухих веществ в циркулирующем обедненном потоке. В результате чего снижается концентрация и отбираемого поляризационного слоя. Это ведет к снижению эффективности и уменьшению производительности аппарата.

Рисунок 5.3 - Конструкция опытно-промышленного аппарата: 1,5 - штуцеры для подвода и отвода раствора; 2 - мембранные элементы; 3 - устройство для отвода

поляризационного слоя; 4 - штуцер для отвода поляризационного слоя; 6 -секции фильтрующих элементов; 7 - штуцеры для отвода фильтрата; 8 - корпус.

Рисунок 5.4 - Схема 3d модели отводящего устройства в разрезе

С учетом предложенных аппаратов была построена многоступенчатая схема установки, основой которой является отвод более концентрированного поляризационного слой в промежуточную емкость, а затем подача его в качестве исходного потока на мембранные модули следующей ступени.

Структура трехступенчатой мембранной установки представлена на рисунке 5.5.

Такая структурная схема позволяет повысить производительность за счет более интенсивного увеличения концентрации, что приводит к сокращению продолжительности обработки. Количество ступеней и модулей на каждой ступени зависит от степени концентрирования продукта, технологических параметров процесса, исходной и требуемой концентрации сухих веществ.

Рисунок 5.5 - Схема трехступенчатой мембраной установки на основе модулей с

отводом поляризационного слоя

ММ1, ММ2, ММ3 - мембранные модули 1, 2, 3 ступени; ОП - обедненный поток;

ПС - поляризационный слой.

5.2 Экспериментальные исследования опытно-промышленной конструкции

мембранного аппарата

Исследования проведены с целью определения возможности обеспечения требуемых показателей качества концентрата сыворотки по предложенной технологии с применением аппарата с отводом поляризационного слоя и расчета рациональных технологических, конструктивных и режимных параметров его работы.

Как основной показатель работы исследуемого аппарата выбрано содержание сухих веществ в поляризационном слое, отводимом из аппарата в качестве целевого продукта.

Для регенерации мембраны использовалась кислотная или щелочная мойка.

Для подтверждения универсальности и адекватности предложенной математической модели проведены исследования на опытно-промышленном аппарате, схема которого приведена на рисунке 5.3.

Целью мембранной переработки жидких пищевых сред является получение продукта необходимой концентрации и качества.

Содержание сухих веществ в молочных продуктах определяют по известной методике методом высушивания.

Необходимым условием при переработке молочного сырья является предварительное определение допустимых интервалов технологических параметров, что обусловлено особенностями мембранных аппаратов и физико-химическими свойствами обрабатываемого сырья.

В связи с этим, для качественной обработки необходимо поддерживать температуру 50±20 С. Это связано с тем, чтобы не допустить денатурацию сывороточных белков, и при этом обеспечить высокие показатели производительности мембранного аппарата.

Допустимый диапазон скорости движения потока обрабатываемого раствора в аппаратах с отводом поляризационного слоя выбирается с учётом поддержания ламинарного режима течения.

Допустимым интервалом изменения рабочего давления в системе является диапазон 0..0,2 МПа. Большее давление приведет к уплотнению сформированного поляризационного слоя, что отрицательно скажется на производительности аппарата и затруднит очистку внутренней поверхности мембраны.

Целесообразный период обработки - не более 3 часов, т.к. суммарное время работы аппарата (включая вспомогательные: мойка и дезинфекция) не должно быть больше, чем продолжительность технологической смены.

Задачей проводимых исследований является экспериментальное определение оптимальных параметров концентрирования сыворотки и исследование новой конструкции мембранного аппарата.

В качестве исходной среды была использовано сыворотка с концентрацией сухих веществ 5 % масс.

Для максимальной производительности процесса по целевому продукту необходимо отводить поляризационный слой с максимальной концентрацией. С этой целью необходимо определить оптимальное соотношение количества поляризационного слоя Укон и основного потока Уи., при котором концентрация продукта и расход будут максимальны.

Исследования проводились при одинаковой концентрации сухих веществ. Результатов экспериментальных исследований (рисунок 5.6) указывают на то, что максимальная концентрация сухих веществ (порядка 5,95 %масс.), зафиксирована при отношении объемов Укон./Уи. равном 1/40 (0,025).

Рисунок 5.6 - Зависимость концентрации задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое от соотношения Укон./Уи. (Р=0,2 МПа; Яе=2300; т=20 мин)

Экспериментальные исследования зависимости концентрации задерживаемых веществ в отведенном поляризационном слое от продолжительности обработки (рис. 5.7). Как видно из графика, происходит снижение концентрации после 1200с работы аппарата.

Это может быть связано с уплотнением слоя задерживаемых веществ и образованием геля, что приводит в дальнейшем к снижению проницаемости мембраны. Следствием этого является менее интенсивное образование поляризационного слоя и его меньшая концентрация.

6 5,8 5,6

о и го

§ 5,4

чр ач

и

5,2

5 4,8

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

т, с

Рисунок 5.7- График взаимосвязи времени продолжительности концентрирования и содержания сухих веществ в отведенном слое.

Далее были экспериментально изучено влияние технологических показателей процесса концентрирования на содержание задерживаемых веществ в отведенном слое.

Как показали предварительные исследования, существенное влияние на процесс мембранного концентрирования оказывает давление в аппарате (рисунок 5.8). Из графика видно, что повышение давления до величины Р=0.2

МПа влечет за собой увеличение концентрации задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое. При дальнейшем повышении давления в аппарате наблюдается понижение концентрации отводимого поляризованного слоя. Это вызвано уплотнение слоя и снижением его подвижности при повышении давления более 0.2 МПа [123]. Задержание сухих веществ, особенно при высоких показателях давления, когда сжимается и самоуплотняется неподвижный гелевый слой на поверхности мембраны, обусловлено не только действием самой ультрафильтрационной мембраны, но и задерживающей способностью образовавшегося на ней гелевого слоя. Поэтому необходимо подобрать оптимальные значения давления при концентрировании белковых растворов.

Р, МПа

Рисунок 5.8- Влияние давления на концентрацию сухих веществ в отводимом поляризованном слое (Яе=2300; т=20 мин); Сисх=5 %

Затем было изучено влияния режима движения раствора в аппарате на количество сухих веществ в отводимом поляризационном слое. Полученные

данные представлены на рисунке 5.9. Из графика следует, что при значении критерия Рейнольдса (Яе=500-2300) содержание сухих веществ в отводимом поляризационном слое повышается.

При возрастании скорости течения среды в канале трубчатой мембраны будет увеличиваться и скорость движения поляризационного слоя, формирующегося на ее внутренней поверхности. При наступлении переходного режима течения (Яе более 2300), происходит частичная турбулизация потока и радиальное размытие поляризованного слоя, вследствие чего происходит понижение содержания задерживаемых веществ в отводимом слое. При большем значении критерия Рейнольдса (более 5000), концентрация задерживаемых веществ в отводимом слое становится сопоставимой с концентрацией в центральной части канала аппарата.

5,85

5,8 ♦

5,5

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Ке

Рисунок 5.9 - Влияние режима движения раствора в канале аппарата на концентрацию сухих веществ в отводимом поляризационном слое

(Р=0,2 МПа, х=20 мин) Сисх=5%

При сравнении максимально достигнутых концентраций в каждом из экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что наименьшее влияние на концентрацию сухих веществ в отводимом слое имеет режим течения жидкости в аппарате (Рис.5.10).

Различия во влиянии других исследованных параметров не столь значимы.

Рисунок 5.10 - Сравнение максимальных уровней концентрации сухих веществ в отводимом слое, достигнутых в экспериментах.

Исследования проводились с использованием приемов математического планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования осуществлялись по плану полного

"5

факторного эксперимента ПФЭ-2 . (Приложение 1). Диапазон изменения исследуемых показателей: - Р: 0, 05 .. 0,2 МПа;

- т: 15 .. 30 мин.

Получено уравнение регрессии (5.1):

С = 6,161 + 0,298 • Р + 0.175 • т + 0.132 • Р • Яе + 0.171- Р ■ т (5.1)

Данное уравнение отражает взаимосвязь изученных параметров процесса и содержания сухих веществ в отводимом слое. Однако, линейное уравнение не достаточно точно описывает моделируемый процесс, так как изменеие концентрации сухих веществ продукта не носит линейный характер. В соответствии с [154] её можно привести к степенной функцию С=Л71а172а273а3, которая будет отражать взаимосвязь изучаемых параметров и концентрации сухих веществ точнее.

Для получения полиномиального уравнения эту зависимость необходимо прологарифмировать. Заменив значения логарифмов переменными, получим у=а0+а1х1+а2х2+азх3. Таким образом, для получения степенной зависимости необходимо пожертвовать эффектами взаимодействия параметров.

Коэффициенты а! рассчитываются по уравнению (5.2):

а0=Ь0-Ь1Х10/Ах1-Ь2х20/Ах2; а1=Ь1/Ах1 (5.2)

В результате вычислений получено уравнение нелинейной регрессии (5.3): С=5,31065*710'1192*7200001*730'01785 (5.3)

Качественный анализ полученного уравнения (5.3) показал, что наибольшее воздействие на концентрацию сухих веществ в отводимом поляризационном слое

оказывают рабочее давление в аппарате и продолжительность обработки исходного раствора.

Получены рациональные параметры изучаемого процесса:

Яе = 2000 ^ = 0,4 м/с); Р = 0,2 МПа, т = 900сек;

График полученного уравнения регрессии по значимым параметрам (давление Р и продолжительность процесса т) показан на рисунке 5.11.

г, сек 1800 0,05

Рисунок 5.11 - График зависимости концентрации сухих веществ в отводимом слое от давления и продолжительности обработки

Анализ экспериментальных исследований показывает, что предложенная конструкции опытно-промышленного аппарата достаточно эффективна. Концентрация отводимого поляризационного слоя на 17^20% выше, чем концентрация исходного раствора. Это значительно выше, чем увеличение концентрации за счет отвода фильтрата. Из сказанного следует, что

использование данного аппарата позволит повысить производительность переработки молочного сырья.

Для подтверждения универсальности и адекватности предложенной методики моделирования был проведен анализ экспериментальных данных полученных на экспериментальном аппарате и опытно-промышленной установке, и сравнение их с теоретическими данными, полученными с помощью математической модели.

На основании полученных результатов расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%, что свидетельствует о достаточной адекватности модели, и делает её применимой для инженерных расчетов.

Для исследования работы отводящего устройства, в кожухе аппарата были изготовлены два технологических отверстия (рис 5.12). Данные отверстия были использованы для измерения давления. Кроме того, была исследована зависимость содержания задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое от длительности концентрирования.

Рисунок 5.12 -Схема расположения отверстий в кожухе аппарата.

Для измерения давления в сечении отверстий 1 и 2 был использован манометр. Исследовано давление в двух технологических отверстиях кожуха аппарата, при технологических параметрах 1=20° С, Р=98 кПа; 147 кПа ; 198 кПа. Измерения производились при различных показателях рабочего давления в канале аппарата. Полученные результаты представлены на рис. 5.13.

Из графика видно, что давление в первом пробном отверстии больше, что связано с потерями давления по длине мембранного аппарата и особенностями конструкции.

160

е

РЗ о

^ 98 147 196

Давление в аппарате, кПа

Рис 5.13 - График зависимости давления в технологических отверстиях от

давления в канале аппарата.

На основании полученных результатов установлена эффективность предложенной конструкции мембранного аппарата. Его внедрение позволяет повысить производительность переработки творожной сыворотки за счет увеличения концентрации отводимого поляризационного слоя, а так же своевременной очистки мембраны, что способствует восстановлению ее проницаемости в процессе переработки.

5.3 Определение передаточных функций

Подробно методология параметрической идентификации передаточных функций описана в главе 4 (пункт 4.4 Параметрическая идентификация передаточных функций)

Все используемые разгонные характеристики, обработанные в соответствии с описанной методикой, представлены в Приложении 2.

5.3.1 Определение передаточных функций производительности

по фильтрату

Графики аппроксимировались с использованием зависимости (4.35). Полученные параметры подверглись уточнению с помощью программного комплекса MS Excel до минимизации критерия близости (4.36).

1) Влияние исходной концентрации

В соответствии с описанной методикой на систему было оказано входное воздействие. Исследование проведено при показателях, указанных ниже: t = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,4 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблице 5.1.

Параметр Значение

^ %масс. ' м • с • % масс. 5,69-10-6

%масс. к, м • с • % масс. 4,1610-6

Т1, с 466,70

Т2, с 210,82

Передаточная функция по информационному каналу влияния исходной концентрации на производительность представлена ниже (5.4).

4,16 • 10 6

Жх 1_тз(£) = 5,69• 106 - ^ ' (5.4)

44444,65 • £ + 466,67 • £ +1

2) Влияние давления

На объект одновременно было нанесено два воздействия: XI и а1(Р). Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,17 МПа, V = 0,4 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Полученные параметры функции

Параметр Значение

^ %масс. ' м • с • % масс. 22,75* 10-6

% масс. к, 2 м • с • % масс. 16,0810-6

Т1, с 238,10

Т2, с 95,24

22,73 • 10-6 16,08 • 10-6

ад ---1---. (5.5)

Я 9070,28 • Я3 + 238,10 • Я2 + Я 4 7

В соответствии с зависимостью (5.5) получим (5.6):

_ - 6,93 • Я7 - 0,25 • Я6 - 0,57 • Я5 - 0,01- Я4 + 5,43 • 107 • Я3 а1-г ) " 8,06 •Ю6 • Я7 + 2,96 •Ю5 • Я6 + 3292,50 • Я5 +14,10 • Я4 + 0,02 • Я3' ( . )

3) Влияние скорости потока

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и а2(У). Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,5 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Полученные параметры функции

Параметр Значение

, %масс. к), 2 м • с • % масс. 22,7540-6

%масс. к, м • с • % масс. 15,53^ 10-6

Т1, с 250,00

Т2, с 117,85

ад -2275:101--ця-ю-» . (5.7)

£ 13888,86 • £3 + 250 • £2 + £

В соответствии с зависимостью (4.7) получим (4.8):

_ -10,62 • Я7 - 0,30 • Я6 - 0,46 • Я5 - 0,01 • Я4 +1,09 • 10-6 • Я3 ^гз( ) - 6,17 • ю7 • я7 +1,76• ю6 • Я6 +1,75 • 104 • Я5 + 71,67 • Я4 + 0,10• Я3' ( -)

5.3.2. Определение передаточных функций промежуточных параметров

Графики аппроксимировались с использованием зависимости (4.36). Полученные параметры подверглись уточнению с помощью программного комплекса MS Excel до минимизации критерия близости (4.37).

Выходные параметры получены аналитически в соответствии с (4.27..4.28).

1) Влияние исходной концентрации

На объект одномоментно было нанесено входное воздействия. Исследование проведено при показателях, указанных ниже: t = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,4 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблицах 5.4 и 5.5 для промежуточных параметров Z1 и Z2 соответственно.

Таблица 5.4 - - Полученные параметры функции

Параметр Значение

k, %масс 14,07

С0, %масс 9,8

T, с 1062

£ 0,256

Таблица 5.5 - - Полученные параметры функции

Параметр Значение

k0, %масс 5,002

k, %масс 5,004

Ti, с 518

Т2, с 275

Таким образом, передаточные функции может быть записана: - концентрацию 71 (5.9):

1 я(£)--^1407- + 9,8, (5.9)

х 1-71 1127844 • £3 + 543,774 • £2 + £ £ ' v у

производительность 72 (5.10).

5,002 5,004 ,, 1т

№х 1 72(£) --+-;--(5.10)

х 7 £ 75625 • £2 + 518 • £ +1

2) Влияние давления

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и а1(Р). Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,17 МПа, V = 0,4 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблицах 5.6 и 5.7 для промежуточных параметров 71 и 72.

Таблица 5.6 - Параметры передаточной функции

Параметр Значение

к, %масс 18,19

С0, %масс 9,8

Т, с 1198

£ 0,876

Параметр Значение

к0, %масс 4,8

к, %масс 5,001

Т1, с 298

Т2, с 162,4

Передаточные функции для 71 и 72 (5.11..5.12):

ад =

18,19

9,8

-5-:-9-+-

1435204 • £3 + 2098,896 • £2 + £ £

(5.11)

г 2(^) = 48+

5,0041

£ 276373,76 • £2 + 298 • £ +1

(5.12)

В соответствии с зависимостями (5.11..5.12) получаем:

(5.13)

(5.14)

3) Влияние скорости потока

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и а2(У). Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,5 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблицах 5.8 и5.9 для промежуточных параметров 71 и 72.

Параметр Значение

к, %масс 18,49

С0, %масс 9,8

Т, с 1156

£ 0,368

Таблица 5.9 - Параметры передаточной функции

Параметр Значение

ко, %масс 4,97

к, %масс 4,99

Т1, с 316,7

Т2, с 152,6

Передаточные функции для 71 и 72 (5.15..5.16):

1336336- 53+ 850.816 £ (5.15)

4 97 4 00 (516)

г2($)=—+-^-

5 23286765'+316,7-5+1 получаем:

^ 2 _2 х (5) — 5262-8^+0-187 - 8028 + 6 0. (5.17)

ал ¿IV у 52 + 8.87*10-7 5 47

а2 - 2Т.\ ) — 54 + (5+о .о 1 ) * (^ 2+о . о 1 * 5 + 1 . 3 2 * 1 0 - 5 ) . ( . )

5.3.3. Определение передаточных функций выходных параметров

По причине того, что в экспериментальном исследовании применялись рациональные соотношение объема исходного потока к объему отводимого слоя (у2), выходные параметры Y2 и Y4 и расход сырья установлены в необходимых для этого пределах. Поэтому изучить влияние на них внешних воздействий в рамках данного исследования не возможно.

По этой причине, передаточные функции построены только для одного выходного параметра (Y1).

Графики аппроксимировались с использованием зависимости (4.33). Полученные параметры подверглись уточнению с помощью программного комплекса MS Excel до минимизации критерия близости (4.37).

1) Влияние давления

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: X1 и f(a1)(P). Исследование проведено при показателях, указанных ниже:

Т = 20 0С, Р = 0,17 МПа, V = 0,4 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблице 5.10 Таблица 5.10 - Параметры передаточной функции

Параметр Значение

%масс. к, м • % масс. 161,43

% масс. С0, - % масс. 9,8

T, с 552,86

§ 0,143

ад) =-16143-5— + , (5.19)

1 305650,86 • £3 +158,94 • £2 + £ £

В соответствии с зависимостью (5.19) получим (5.20):

¥ _ -1,20 • 108 • 55 - 2,60 • 104 • 54 - 335,45 • 53

д^-М ) 1,21 •ю9• 57 + 2,64•Ю6• 56 +1,1Ы04• 55 + 9,74• 54 + 0,02• 53' (. )

2) Влияние скорости потока

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и £"(а2)(У). Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,5 м/с.

Полученные значения параметров приведены в таблице 5.11

Таблица 5.11 - Параметры передаточной функции

Параметр Значение

%масс. к, м • % масс. 225,58

%масс. С0, % масс. 9,8

Т, с 573,82

£ 0,383

ад =-22558-—+9,8, (5.21)

329273,98 • £3 + 439,25 • £2 + £ £

В соответствии с зависимостью (5.21) получим (5.22):

-119-108 • 55 -1 44-105 • 54 - 27130 • 53

»«а2)л(5) =- -1,19 10 5 -1,44 10 5 271,30 5- , (5 2)

/(а2)-п 6,51 • 109 • 5 +1,95 •Ю7 • 5 + 6,71 •Ю4 • 55 + 76,75 • 54 + 0,10 • 53 V У

3) Влияние отношения объема исходного потока сыворотки к объему отводимого слоя.

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и у2. Исследование проведено при показателях, указанных ниже:

1 = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,4 м/с, У = 0,5-10"6 м3/с, Уо.п = 13,310-6 м3/с. Полученные значения параметров приведены в таблице 5.12.

Таблица 5.12 - Параметры передаточной функции

Параметр Значение

%масс. к, м • %масс. 1,993

%масс. С0, % масс. 8

Т, с 440,2

£ 0,296

1 993 8

У V) =-^-=-+ - (5.23)

193776,04 • л3 + 260,6 • л2 + л л

В соответствии с зависимостью (5.23) получим (5.24):

ж (5) - - 3,304 • л2 -0,005 • л+2,01 •10 5 (5 24)

Г2-тЛ л4 + 0,003• л3 +1,24•Ю-5 • л2 +1,53•Ю-8 • Л + 2,6•Ю-11' 4 ' 7

4) Влияние площади отверстий на отвод поляризационного слоя.

На объект одномоментно было нанесено два воздействия: XI и р2. Исследование проведено при показателях, указанных ниже: 1 = 20 0С, Р = 0,15 МПа, V = 0,4 м/с, б = 0,1026. Полученные значения параметров приведены в таблице 5.13.

Параметр Значение

%масс. к, м • %масс. 0,29

%масс. Со, % масс. 8

Т, с 361,43

£ 0,311

71( Я) =-^-5-+ - (5.25)

147 132561,53 • Я3 + 213,36 • Я2 + Я Я У '

В соответствии с зависимостью (4.25) получим (4.26):

ш 1,5•Ю-6 • Я + 2,9•Ю-9 • Я +1,3•Ю-

Ш„ у(Я) = —---—г--^-- (5.26)

> я4 + 0,0035• Я +1,6•Ю-5 • Я + 2,27•Ю-8 • Я + 4,04•Ю-11

5.4 Опытно-промышленные испытания предложенной технологии

В ходе подготовки диссертации были проведены испытания предложенной технологии концентрирования сыворотки на основе ультрафильтрационной установки разработанной конструкции .

Испытания проводилась на базе ООО НПО «Здоровое питание» с целью оценки эффективности предложенной технологии и исследования промышленных возможностей модернизированного оборудования. В качестве исходного раствора для дальнейшего концентрирования использовалась творожная сыворотка. Исследования проходили в 3 этапа:

1. Концентрирование сыворотки на традиционном мембранном оборудовании, характеризующимся отводом фильтрата через мембрану и отсутствием дополнительных устройств для разделения концентрата.

2. Концентрирование сыворотки с использованием предложенного оборудования.

3. Сравнение и анализ полученных результатов.

Экспериментальные исследования были проведены при полученных ранее оптимальных параметрах процесса: Р= 2МПа; т=900сек; Re=2000 ^=0,4 м/с), Укон/Уи = 1/40. Температура исходного сырья - 45±2°С.

Для лабораторных исследований были отобраны образцы исходного раствора, образцы полученных концентратов, образцы фильтратов.

Анализ результатов показал, что при одинаковом объёме исходного раствора (20 л) за одинаковый промежуток времени (10 ч) концентрирование на модернизированном оборудовании с отводом поляризационного слоя позволяет получить продукт с более высокой концентрацией сухих веществ. (Таблица 5.14)

Таблица 5.14 - Результаты испытаний (средние значения)

Кислотность, Сухие вещества, %масс. Белок, % Жир, %

Творожная сыворотка 45 5,00 1,1 0,07

Концентрат, полученный традиционным методом ультрафильтрации без отвода примембранного слоя 43 9,04 2,6 0,07

Концентрат, полученный предложенным методом 42 20,13 3,7 0,07

Фильтрат 35 2,95 0,4 -

Из приведенных результатов видно, что предложенная технология и оборудование для ее реализации эффективнее традиционного. Полученный в результате концентрирования пермеат пригоден для дальнейшей переработки с целью получения лактозы. Уровень содержания белка в пермеате подтверждает низкий процент технологических потерь белка в фильтрат.

Таблица 5.15 - Результаты испытаний

Показатели Типовая конструкция Модернизированная конструкция

Содержание сухих веществ в исходной сыворотке, %масс. 5,00 5,00

Содержание сухих веществ в концентрате сыворотки, %масс. 20,20 20,20

Объем сырья, л 19,7 19,7

Объем фильтрата, л 17,4 17,4

Объем концентрата, л 2,3 2,3

Продолжительность работы, час 24,86 9,71

При одинаковом объеме исходного раствора (20 л) и концентрировании до равного количества сухих веществ (28%), продолжительность концентрирования на типовом оборудовании в 2,56 раза превышает время концентрирования на предложенном оборудовании с отводом поляризационного слоя. (Таблица 5.15)

Таким образом, внедрение предложенной технологии с отводом поляризационного слоя в пищевой промышленности является целесообразным и экономически выгодным.

Акты испытаний приведены в Приложении 3.

1. Проведено исследование и анализ влияние параметров работы аппарата на содержание сухих веществ в отводимом поляризационном слое опытно -промышленной установки.

2. Определены рациональные параметры процесса: Р= 2МПа; т=900сек; Яе=2000 (у=0,4 м/с).

3. Разработаны две конструкции мембранных аппаратов с отводом поляризационного слоя. Одна из них использована в качестве прототипа при разработке опытно-промышленной конструкции.

4. Разработана конструкция опытно-промышленного аппарата трубчатого типа, состоящего из трех секций с отводящими устройствами.

4.Экспериментально подтверждена эффективность опытно-промышленной конструкции описанного аппарата. Содержание сухих веществ в отводимом слое в среднем на 17^20% больше концентрации раствора в канале аппарата.

5. Проведена идентификация параметров разработанной кибернетической модели процесса переработки творожной сыворотки в аппарате с отводом поляризационного слоя.

6. Проведены опытно-промышленные испытания разработанной конструкции, подтверждающие эффективность новой конструкции.

1. Изучены свойства и состав творожной сыворотки и концентрата, полученного по предложенной технологии. Подтверждена его безопасность и соответствие требованиям ТР ТС 033/2013 по микробиологической обсемененности и содержанию токсических элементов. Установлено, что потери белка в фильтрат составляют не более 7% масс от исходного количества.

2. Разработаны две конструкции мембранных аппаратов, техническая новизна которых защищена патентами на изобретение РФ. Одна из конструкций явилась прототипом при создании опытно-промышленного аппарата. Разработана многоступенчатая схема переработки сыворотки на основе мембранных модулей новой конструкции, которая позволяет сократить продолжительность концентрирования творожной сыворотки.

3. Разработана комплексная математическая модель процесса концентрирования творожной сыворотки на аппаратах новой конструкции. Экспериментально и аналитически подтверждена прогностическая способность предложенной математической модели, расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 4,9%.

4. Проведены исследования опытно-промышленной конструкции мембранного аппарата. Изучено влияние технологических параметров работы мембранного аппарата на содержание сухих веществ в концентрате творожной сыворотки. Определены рациональные параметры процесса концентрирования творожной сыворотки: Re = 2000 ^ = 0,4 м/с); Р = 0,2 МПа, Укон/Уи=1/40 (0,025)

5. Проведены промышленные испытания предложенных конструкций и технологии. Разработана технологическая схема концентрирования творожной сыворотки с использованием мембранных аппаратов нового типа.

1. Гаврилов, Г.Б. Справочник по переработке молочной сыворотки. Технологии, процессы и аппараты, мембранное оборудование. / Г.Б. Гаврилов, А.Ю. Просеков, Э.Ф. Кравченко, Б.Г. Гаврилов. - изд-во «Профессия», 2015г

2. Дмитриенко Г.Н. Использование мембранного биореактора для восстановления хрома (VI) / Г.Н.Дмитриенко, В.В. Коновалова, П.И. Гвоздяк // Химия и технология воды. - 2001. - Т. 23, №2. - С. 552-561.

3. Кавицкая, А.А. Обратноосмотическое фильтрование растворов сульфата кальция на композитных мембранах в присутствии Fe(III) /А.А. Кавицкая, Т.В. Князькова // Химия и технология воды. - 1999. -Т. 21, №2. - С. 130-139.

4. Оноприйко, А.В. Технология молочных продуктов мини-производств / А.В, Оноприйко, А.Г. Храмцов, В.А. Оноприйко - Ростов-на-Дону, изд. «Март», 2004.

5. Токаев, Э. С. Современный опыт и перспективы использования препаратов сывороточных белков в производстве функциональных напитков / Э.С.Токаев, Е. Н. Боженова, Р.Ю. Мироевдов // Молочная промышленность. -2007. - № 10. -С.55-56.

6. Горбатова, К. К. Химия и физика белков молока / К.К.Горбатова - М. : Колос, 1993. - 286с.

7. Остроумов, Л.А. Разработка технологии тонизирующих молочных продуктов /Л.А.Остроумов, А.В. Крупин// Техника и технология пищевых производств.

- 2009. - №3(14). - С.3-6.

8. Остроумов, Л.А. О составе и свойствах молочной сыворотки / Л.А.Остроумов, Г.Б.Гаврилов//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006.

- №8 - С.47-48.

9. Сенкевич, Т. Молочная сыворотка, переработка и использование в агропромышленном комплексе/ Т.Сенкевич, К.-Л. Ридель - Агропромиздат,

1989.

10. Храмцов, А.Г. Молочная сыворотка/ А.Г. Храмцов - М.: Агропромиздат,

1990.

11. Храмцов, А.Г. Молочная сыворотка ценное сырье для производства напитков: Обзорная информация/ А.Г. Храмцов, В.Е. Жидков, Е.И. Холодов, А.Н. Пономарев -М.: АгроНИИТЭИММП, 1990. - 49с.

12. Храмцов, А.Г. Биотехнология напитков из молочной сыворотки / А.Г. Храмцов, В.Е. Жидков, Г.И. Холодов // Ставрополь, 1996.- 143с.

13. Храмцов, А.Г. Производство и использование белков молочной сыворотки в лечебно-диетическом питании: Обзорная информация. / А.Г. Храмцов, Г.И. Молчанов, В.Е. Жидков, Л.В. Лунькова // М.: АгроНИИТЭИММП, 1993.-32с.

14. Храмцов, А.Г. Безотходная технология в молочной промышленности/ А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко// М.: Агропромиздат, 1989.-279с.

15. Кавицкая, А.А. Разделительные характеристики состояние воды в ультрафильтрационных заряженных мембранах, модифицированных анионным ПАВ /А.А. Кавицкая, И.Д. Атаманенко, А.В. Бельдюкевич, Н.А. Клименко //Химия и технология воды. -2008.-Т. 30, №2. -С. 192-204.

16. Полюжин, И.П. Корреляционный анализ для обобщения данных по влиянию свойств органической фазы на показатели процесса переноса ионов меди через жидкие мембраны/И.П. Полюжин, Я.Н. Пириг, Р.Г. Макитра, ОИ.И. Ятчилеин//Химия и технология воды. - 2001.-Т.23, №2.- С.128-133.

17. Терлецкая, А.В. Концентрирование микрочастиц урана на мембранных фильтрах и его прямое определение рентгенофлуоресцентным методом / А.В. Терлецкая, Т.А. Богословская, О.И. Стрихарь// Химия и технология воды. -1998. -Т.20, №6. -С.585-591.

18. Цапюко, Е.А. Ультрафильтрационное фракционирование лигносульфонатов в условиях гелеобразования на мембранах с разным размером пор и при различных давлениях / Е.А. Цапюк, М.Т. Брык, А.А. Дмитриев, В.М. Кочкодан, В.Р. Фаликман //Химия и технология воды. - 1990. - Т. 12, №1.-С. 63-66.

19. Варнавская, О.В. Применение ультрафильтрации для получения высокоочищенной амилазы медицинского назначения / О.В. Варнавская, А.А. Селезнева, Г.В. Самсонов // Химико-фармацевтический журнал. - 1978.

- Т. 12, №3. - С. 105-109.

20. Карпов, А.М. Состояние и перспективы мембранной техники в микробиологической, медицинской и пищевых отраслях промышленности / А.М. Карпов, В.Н. Лялин, А.А. Свитцов // Биотехнология. - 1989. - Т. 5, №3.

- С. 260-276.

21. Бабенышев, С.П. Мембранная технология очистки растительного масла / С.П. Бабенышев, И.А. Евдокимов // Хранение и переработка сельхозсырья. -2008. - №4. - С. 78-80.

22. Бредихин, С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. - М.: Колос, 2001. - 400 с.,ил.

23. Видякин, М.Н. Технология утилизации спиртовой барды с использованием баромембранных процессов / М.Н. Видякин, Ю.Н. Лазарева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №6. - С. 53-58.

24. Вопияшин. О.Я. Микро- и ультрафильтрация на керамических мембранах при производстве соков / О.Я. Вопияшин//Пищевая промышленность. - 2004.

- №7. - С. 60-61.

25. Голубев, В.Н. Основы микрофильтрационной очистки пектиносодержащих экстрактов / В.Н. Голубев, С.Ю. Беглов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2000. - №1, 2, 4. - С. 41, 44, 17.

26. Жиров, В.М. Исследование процесса ультрафильтрационного концентрирования пектина/В.М. Жиров, Н.И. Белово// Пищевая промышленность. - 2005. - №4. - С. 70-71.

27. Кудрявцев, В.А. Гидродинамические аспекты ультрафильтрации преддефекованного сока в плоскорамном мембранном аппарате / В.А. Кудрявцев и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - №1. - С. 44.

28. Семенов, А.Г. Математическое описание процесса ультрафильтрации с учетом гелеобразования на поверхности мембраны / А.Г. Семенов, Б.А. Лобасенко //Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - №8. - С. 15.

29. Тишкин, В.А. Влияние гидродинамических условий при обратноосмотическом концентрировании плодоовощных соков / В.А. Тишкин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2000. - №6. - С. 33.

30. Яцун, С.Ф. Моделирование процесса ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, В.А. Кудрявцев, Е.М. Кувардина // Пищевая технология. Известия вузов. - 2004. - №4. - С. 57-59.

31. Делалио, А. Очистка сточных вод от тяжелых металлов методом комплекс образования ультрафильтрации / А. Делалио, В.В. Гончарук, Б.Ю. Корнилович, А.П. Криворучко, Л.Ю. Орлова, Г.Н. Пшинко // Химия и технология воды. - 2003. - Т. 25, №6. - С. 564-573.

32. Дульнева, Т.Ю. Очистка воды от гидросоединений полизарядных ионов металлов керамическими мембранами / Т.Ю. Дульнева, Д.Д. Кучерук // Химия и технология воды. - 2004. - Т. 26, №6. - С. 574-581.

33. Дульнева, Т.Ю. Очистка воды от красителей керамическими мембранами, модифицированными глинистыми минералами / Т.Ю. Дульнева, Д.Д. Кучерук // Химия и технология воды. - 2005. - Т. 27, №5. - С. 496-504.

34. Петров, М.Р. Ультрафильтрационное выделение масел и красителей из промышленных сточных вод /М.Р. Петров, Е.Э Казакова // Химия и технология воды. - 1990. - Т. 12, №2. - С. 176-178.

35. Сияница, В.В. Удаление гуминовых соединений из водных растворов методом комплексообразования - ультрафильтрации / В.В. Сияница, В.М. Кочкодан, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2007. - Т. 29, №3. -С. 238-247.

36. Гапонова, Л.В. Переработка и применение молочной сыворотки / Л.В. Гапонова, Т.А. Полежаева, Н.В. Волотовская // Молочная промышленность. -2004. - №7. - С. 52-53.