Введение к работе
Актуальность работы. Основная тенденция развития пищевой промышленности – обеспечивать производство продуктов для населения страны в достаточном количестве и высокого качества. Чтобы удовлетворить эти требования необходимо не только улучшать производство основных промышленных продуктов, но и разрабатывать новые. Целью разработчиков продуктов питания является создание продовольственных микроструктур, которые соответствуют таковым известным или естественным продуктам. Одними из таких микроструктур являются эмульсии.
Виды оборудования для подготовки эмульсий обычным методом (мешалки, коллоидные мельницы, эжекторы, ультразвуковые излучатели и т.п.) используют так называемый принцип «сверху вниз», т.е. механическим диспергированием крупных частиц дисперсной фазы. При этом такие методы используют высокое напряжение сдвига и требуют энергозатрат. Эмульсии, приготовленные этим путем, сопряжены с деструкцией веществ или компонентов дисперсной фазы, а также могут быть полидисперсными.
Перспективным является генерация эмульсии по принципу «снизу вверх», методом мембранного эмульгирования, что позволяет на два порядка сократить энергозатраты и получать однородные, микронных размеров дисперсной фазы эмульсии.
Технологические предпосылки применения мембранного эмульгирования должны быть подкреплены разработками процесса, направленные на обоснование конструкций установок, позволяющих обеспечить требуемую производительность и характеристики эмульсий по концентрации фаз и распределению размеров дисперсий эмульсий.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств (МАПП) ФГБОУВПО КубГТУ на 2011– 2015 гг. (5.8.11-15) «Научное обеспечение развития процессов и оборудования пищевых производств», государственная регистрация № 01201152036 и по заданию Минобрнауки 1.2.10 на 2010–2012 гг. «Теоретическое и экспериментальное обоснование факторов, обусловливающих образование, физико-химические и функциональные свойства липосомальных наносистем на основе природных фосфолипидов».
Цель работы. Исследование формирования капельных структур при мембранном эмульгировании в связи с обоснованием способа и устройства для обеспечения получения эмульсий требуемых размеров и концентрации дисперсной фазы.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи:
– проанализировать и сравнить способы формирования капель в процессе эмульгирования;
– определить обобщенные переменные для описания процесса формирования капель при мембранном эмульгировании;
– получить многомерные зависимости для основных параметров формирования капель при мембранном эмульгировании;
– построить математическую модель и провести моделирование структуры и режимов работы мембранного контактора;
– дать оценку основным способам повышения концентрации дисперсной фазы при мембранном эмульгировании;
– экспериментально исследовать процесс мембранного эмульгирования с применением керамических мембран и свойства, получаемых эмульсий при мембранном эмульгировании, определить влияние концентрации эмульгатора, объемной концентрации дисперсной фазы и скорости потока на средний диаметр капель дисперсной фазы;
– разработать и предложить аппаратурное оформление процесса мембранного эмульгирования, обеспечивающее регулирование объёмной концентрации дисперсной фазы в эмульсии;
– разработать практические рекомендации для производства эмульсий методом мембранного эмульгирования.
Научная новизна. Определено, что процесс мембранного эмульгирования с использованием трубчатых керамических мембран является эффективным методом создания эмульсии «масло в воде» с точки зрения размера получаемых дисперсных частиц и их объемной концентрации; формирования капель происходит по механизму струй дисперсной фазы, образованных при истечении из пор мембраны в сносящий поперечный поток дисперсионной среды и для описания процесса необходимо учитывать обобщенные переменные: Re, Ca, G, l, Rt/R; проанализированы критериальные зависимости гидродинамики формирования капли; экспериментально установлено влияние концентрации эмульгатора, скорости потока на средний диаметр капель; определено, что повышение концентрации дисперсной фазы может быть достигнуто при реверсивном движении потока.
Практическая значимость заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать рекомендации по совершенствованию работы и конструкции установки для мембранного эмульгирования. На данное техническое решение получен патент РФ на полезную модель №117099.
Результаты разработок приняты к использованию на предприятии НПП ООО «РастСпецМасла».
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих 4 международных научных конференциях: Международная научно-техническая интернет конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». Воронеж. 2011; V Международная конференция «Научный потенциал XXI века». г. Ставрополь, 2011; Международная научно-практическая конференция «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья». Краснодар. 2011; Международная научно-практическая конференция «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья». Краснодар. 2012.
Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендуемым ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 142 страницах, содержит 53 рисунка и 3 таблицы. Список использованных источников включает 110 наименований на русском и иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 10 страницах.
