Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время молочная промышленность испытывает дефицит молочного сырья, это привело к тому, что повышенным спросом стал пользоваться концентрат молочного белка. Он находит все более активное применение в производстве различной молочной и кисломолочной продукции. В отличие от использования других ингредиентов, концентрат молочного белка поддерживает натуральный вкус молока, обеспечивая требуемые вкусовые качества готового продукта.
Для выделения концентрата молочного белка используют различные методы, среди которых выделяются мембранные, в частности ультрафильтрация. Это обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами. Наиболее важным является возможность проведения процесса без воздействия высоких температур, что позволяет сохранить нативную структуру белков молока. Кроме того, положительными сторонами мембранных методов являются низкие энергозатраты и невысокие эксплуатационные расходы.
Перспективной задачей является увеличение производительности и сокращение времени протекания мембранных процессов. Одно из направлений ее решения - совершенствование существующих конструкций ультрафильтрационных аппаратов, в частности, с отводом поляризационного слоя. Это позволяет интенсифицировать процесс концентрирования молочных сред, что приводит к повышению качества продукта. В этой связи разработка и исследование мембранного оборудования, обладающего повышенной производительностью, является актуальной научной задачей.
Научной базой в этой области явились работы Дытнерского Ю.И., Кагра-манова Г.Г., Брыка М.Т., Цапюка Е.А., Чагаровского А.П., Фетисова Е.А., Хванга С-Т., Каммермейера К., Мулдера М., Лобасенко Б.А. и ряда других ученых.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» .
Объектом исследования являлась конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя.
Предметом исследования было установление закономерностей протекания процесса отвода поляризационного слоя от технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата при концентрировании обезжиренного молока.
Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в повышении производительности ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя при концентрировании обезжиренного молока.
Достижение цели выполнялось посредством решения следующих задач:
разработка конструкции ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя;
разработка математической модели процесса концентрирования обезжиренного молока с помощью теории автоматического управления;
изучение влияния конструктивных и режимных параметров на концентрацию отводимого слоя, с целью определения их рациональных значений при переработке обезжиренного молока;
параметрическая идентификация математической модели;
разработка технологии производства белкового молока с использованием нового мембранного оборудования.
Научная новизна. С использованием элементов теории автоматического управления разработана математическая модель, позволяющая определять содержание задерживаемых веществ и физико-химические свойства отводимого поляризационного слоя в зависимости от значений технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Методами планирования эксперимента получены регрессионные модели, отражающие взаимосвязь содержания задерживаемых веществ в концентрате от конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Определены их рациональные значения, сочетающие наибольшее содержание задерживаемых веществ с максимально возможным количеством концентрата.
Теоретическая и практическая значимость работы. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса мембранного концентрирования разработана конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя (положительное решение о выдаче патента РФ №2012138966/20(063023) от 02.09.2013).
Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО «Анжерское молоко», которые показали ее эффективность за счет увеличения производительности при концентрировании молочного белка.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП в дипломном и курсовом проектировании.
Положения, выносимые на защиту: математическая модель процесса мембранного концентрирования; новая конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса концентрирования в ультрафильтрационном аппарате с учетом влияния конструктивных и режимных параметров.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных исследований. При выполнении экспериментальных исследований использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2012); Международной молодежной конференции «Перспективные технологии подготовки инженерных кадров: кооперация бизнеса и образова-
ния» (г. Кемерово, 2012); Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (г. Кемерово, 2012); Международной Интернет-конференции «Экология и безопасность - будущее планеты» (г. Казань, 2013); Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013); Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2013» (г. Москва, 2013); 7-ой ежегодной конференции молодых ученых и специалистов институтов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии (г. Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 1 положительное решение о выдаче патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 102 страницах машинописного текста. Работа включает 36 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 134 наименования. Приложения представлены на 30 страницах.
