Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературно-патентный обзор 9
1.1 Молочная сыворотка: состав и полезные свойства 9
1.2 Основные направления переработки молочной сыворотки с применением мембранных технологий 13
1.3 Мембранные аппараты для переработки молочных сред 18
Выводы по главе 1 33
Глава 2 Математическое моделирование 34
2.1 Разработка математической модели процесса мембранного концентрирования методом пространства состояний 35
2.2 Алгоритм расчета гидродинамических условий по длине конической вставки
2.2.1 Определение скорости потока и потерь давления по длине конической вставки 43
2.2.2 Алгоритм расчета гидродинамических условий по длине вставки и его реализация программными средствами 47
Выводы по главе 2 49
Глава 3 Разработка и экспериментальные исследования мембранного аппарата 50
3.1 Разработка мембранного аппарата с перфорированной конической вставкой 50
3.2 Методика экспериментальных исследований мембранного аппарата 52
3.3 Определение рациональных значений конструктивных параметров мембранного аппарата 53
3.4 Определение рациональных значений технологических параметров процесса мембранного концентрирования 59
3.5 Сравнительные исследования мембранного аппарата 62
Выводы по главе 3 64
Глава 4 Модели процесса переработки творожной сыворотки в мембранном аппарате с перфорированной конической вставкой 65
4.1 Параметрическая идентификация математической модели процесса мембранного концентрирования 65
4.2 Разработка комплекса математических моделей мембранной переработки творожной сыворотки 68
4.3 Методика расчета конструктивных параметров опытно-промышленного аппарата 74
Выводы по главе 4 79
Глава 5 Технология производства желированных продуктов на основе концентрата творожной сыворотки 80
5.1 Применение творожной сыворотки при производстве желированных продуктов 80
5.2 Разработка технологической схемы производства желе с добавлением творожной сыворотки 82
5.3 Примеры рецептур желе на основе творожной сыворотки 89
Выводы по главе 5 94
Список литературы
- Основные направления переработки молочной сыворотки с применением мембранных технологий
- Алгоритм расчета гидродинамических условий по длине конической вставки
- Определение рациональных значений конструктивных параметров мембранного аппарата
- Разработка комплекса математических моделей мембранной переработки творожной сыворотки
Введение к работе
Актуальность работы. Молочная сыворотка – вторичный молочный продукт переработки молока на сыр, творог и казеин, который является ценным пищевым сырьем. Сыворотка содержит не менее двухсот жизненно необходимых биологически активных и питательных веществ. В настоящее время молочная, и в частности творожная, сыворотка широко применяется при производстве продуктов питания, поскольку она проста в переработке, что упрощает производство широкого ассортимента продукции.
Биологическая ценность сыворотки обусловлена наличием в ее составе белковых веществ, а также витаминов, гормонов, органических кислот, иммунных тел и микроэлементов. Несмотря на высокую биологическую ценность, около 80% сыворотки до настоящего времени не перерабатывается, поэтому вопрос ее переработки остается актуальным.
Комплексная переработка сыворотки предполагает использование мембранных методов – микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса, которые позволяют выделить ценные компоненты сыворотки в нативном виде. Оценка эффективности современного мембранного оборудования показывает, что необходимо дальнейшее развитие его аппаратурного оформления.
В связи с этим разработка и исследование мембранного аппарата, позволяющего интенсифицировать процесс переработки творожной сыворотки, является актуальной научной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Научной базой в области мембранных технологий являются работы отечественных и зарубежных ученых – М. Мулдера, С-Т. Хванга, Ю.И. Дытнерского, А.П. Чагаровского, М.Т. Брыка, Г.Г. Каграманова, Е.А. Цапюка, Е.А. Фетисова, К. Каммермейера, Г.Б. Гаврилова, И.А. Евдокимова. Значительный вклад в изучение и развитие мембранных процессов вносит научная школа под руководством доктора технических наук, профессора ФГБОУ ВО «КемТИПП» Лобасенко Б.А.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО КемТИПП «Исследование процессов мембранной переработки жидких пищевых сред животного происхождения» (№ государственной регистрации АААА-А16-116042810062-7).
Объектом исследования являлась оценка параметров работы мембранного аппарата с гидродинамической вставкой при переработке творожной сыворотки.
Предметом исследования являлось установление закономерностей, определяющих влияние технологических и конструктивных параметров на процесс мембранного концентрирования творожной сыворотки.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в разработке и исследовании мембранного аппарата с гидродинамической вставкой для переработки творожной сыворотки с улучшенными техническими показателями.
Достижение цели осуществлялось путем решения следующих задач:
разработка конструкции мембранного аппарата с гидродинамической вставкой;
разработка математической модели процесса мембранного концентрирования методом пространства состояний;
разработка алгоритма расчета гидродинамических условий по длине вставки;
изучение влияния технологических и конструктивных параметров на производительность аппарата с целью определения их рациональных значений при переработке творожной сыворотки;
параметрическая идентификация математической модели;
разработка комплекса математических моделей и методики расчета, позволяющих определить конструктивные параметры аппарата;
разработка технологии производства желе на основе творожной сыворотки с использованием разработанного мембранного оборудования.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса мембранного концентрирования методом пространства состояний, которая позволяет оценить производительность мембранного аппарата в зависимости от значений технологических параметров процесса.
Предложен алгоритм расчета гидродинамических условий по длине конической вставки, позволяющий определить потери мощности.
Разработан комплекс взаимосвязанных математических моделей, который позволяет оценить динамику процесса мембранного концентрирования творожной сыворотки с учетом его технологических параметров и конструктивных особенностей мембранного аппарата.
Выполнена программная реализация комплекса в среде MatLAB и разработана методика расчета, которые позволили установить рациональные значения конструктивных параметров опытно-промышленного оборудования на основе разработанного мембранного аппарата.
Теоретическая и практическая значимость. Разработана конструкция мембранного аппарата с гидродинамической вставкой (патент на полезную модель №152198 от 24.01.2014).
Получено свидетельство на программу для ЭВМ №2016617768 «Расчет гидродинамических условий среды при движении в цилиндрическом канале с перфорированной конической вставкой».
Проведены успешные испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО «Биотек», которые показали ее эффективность за счет увеличения производительности и улучшения органолептических показателей концентратов творожной сыворотки.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Технологическое проектирование пищевых производств» ФГБОУ ВО «КемТИПП» при подготовке магистров направления 15.04.02 – Технологические машины и оборудование.
Методология и методы исследования. При организации и проведении экспериментов применялись общепринятые методы сбора, сравнительного анализа и систематизации научной информации, стандартные методы лабораторного анализа, общепринятые методы сенсорного анализа, результаты которых обрабатывались с использованием современных программных продуктов.
Положения, выносимые на защиту: математическая модель процесса мембранного концентрирования; новая конструкция мембранного аппарата с гидродинамической вставкой; программная реализация алгоритма расчета гидродинамических условий по длине вставки; методика расчета конструктивных параметров оборудования; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса концентрирования в мембранном аппарате.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретическими положениями. 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: Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (г. Кемерово, 2013); XII Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Наука и производство: состояние и перспективы» (г. Кемерово, 2014); Международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2014); Х Международной научно-практической конференции «Наука и инновации -2014» (Польша, 2014); Х Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники – 2014» (Польша, 2014); международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2015); Международной научной конференции «Современные научные исследования: проблемы и перспективы» (г. Уфа, 2015); Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития научной мысли» (г. Уфа, 2015); Международной научно-практической конференции «Естественно-научные исследования и народное хозяйство, современные технологии и технический прогресс» (г. Воронеж, 2015); Proceedings of the 9th European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences. «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH (г. Vienna, 2015); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения» (г. Юрга, 2015); Х Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2015).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 110 страницах машинописного текста. Работа включает 36 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований. Приложения представлены на 15 страницах.
Основные направления переработки молочной сыворотки с применением мембранных технологий
Переработка молочной сыворотки предполагает либо комплексное использование сухого остатка, либо извлечение отдельных компонентов [7, 8, 20, 21, 34, 37, 79, 95, 96, 114, 124, 127]. По первому способу предполагается полное выделение сухих веществ сыворотки, поэтому данный способ наиболее перспективен с позиции утилизации побочных продуктов молочного производства. Способ основывается на концентрировании сыворотки, что более эффективно с точки зрения сохранения ее полезных свойств. На основании литературного обзора современных отечественных и зарубежных источников в области переработки молочной сыворотки следует выделить возможные направления производства: сгущенная и сухая сыворотка [80]; молочный сахар [46]; напитки [2, 27, 30, 62, 78, 102, 105]; желированные продукты (желе, муссы и др.) [60, 66]; функциональные продукты питания [63, 66, 97, 115]; другие молочные продукты [6, 83, 103]. Молочная сыворотка используется в небольшом количестве при производстве майонеза, соуса, косметических и моющих средств, а также лекарственные препараты. Важная роль отводится комбинированным продуктам на основе натурального растительного сырья и молочной сыворотки, которые могут восполнить дефицит жизненно необходимых питательных веществ. Молочно-растительные продукты в полной мере соответствуют составу сбалансированного питания. Использование молочной сыворотки в качестве главного компонента продуктов диетического питания обусловлено следующими причинами: доступность сыворотки, многокомпонентность ее состава, низкая себестоимость, легкое фракционирование, возможность модификации свойств.
В настоящее время одним из перспективных направлений при переработке молочной сыворотки является производство желированных продуктов, имеющих диетическое и лечебно-профилактическое назначение. Ценность данных продуктов заключается в повышенном содержании белковых веществ в нативном виде.
Создание концентратов молочной сыворотки, содержащих важные и полезные компоненты в естественном виде, невозможно без использования мембранных технологий [5, 9, 14, 24, 25, 35, 41, 45, 47, 55, 57, 89]. К мембранным методам разделения жидкостей относятся баромембранные (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос), электромембранные (электродиализ), термомембранные и диффузионные [17, 49, 53, 54, 56, 68, 93, 112, 116, 130].
Микрофильтрация широко применяется в технологиях переработки молочного сырья, благодаря ее высокой эффективности и обеспечению микробиологической чистоты молока, сыворотки и продуктов их переработки. Эффективность удаления микроорганизмов при использовании микрофильтрации составляет 99,8 %, при этом температура обрабатываемого продукта не превышает 10-12С.
Широкое распространение в молочной промышленности получил процесс ультрафильтрации [32, 50, 118]. Он используется для концентрирования высокомолекулярных компонентов (молочные и сывороточные белки), для нормализации молока по содержанию белка при выработке сыра, казеина, творога, при получении «свежего» сыра и творога. Ультрафильтрации подвергается очищенная от казеиновых частиц и жира сыворотка, представляющая собой чистый раствор водорастворимых сывороточных белков (альбумина и глобулина) и молочного сахара (лактозы) [15, 29, 33, 90]. Применение ультрафильтрации для обработки молочной сыворотки позволяет получить концентрат сывороточных белков и фильтрат – идеальное сырье для производства лактозы или напитков [1, 4, 42, 51].
Процессы обратного осмоса и нанофильтрации направлены на концентрирование молочного сырья [64, 65, 67, 69, 119, 120]. При обратном осмосе используются мембраны с минимальным размером пор, по сравнению с другими баромембранными процессами, что позволяет наиболее эффективно удалять воду из молочного сырья [84, 88, 122, 123, 129]. В процессе обратного осмоса практически 100 % сухих веществ молочной сыворотки переходят в концентрат (до 20 % сухих веществ, что соответствует удалению 70 % воды из исходной сыворотки). Другой продукт, получаемый в процессе обратного осмоса, фильтрат, представляет собой воду с содержанием сухих веществ около 0,1 %. Получаемая вода может быть использована на предприятии для мойки и на другие технические цели.
Нанофильтрация – процесс, промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Данный процесс позволяет как сконцентрировать молочное сырье, так и частично выделить из него минеральные вещества, т.е. произвести частичную деминерализацию до 30 % [13, 23, 26, 28, 61, 81, 113].
Обратный осмос и нанофильтрация являются экономически выгодными процессами, с точки зрения концентрирования молочного сырья. Мембранные процессы в молочной промышленности представлены и электромембранным процессом – электродиализом. Основное назначение электродиализа в молочной промышленности – деминерализация молочного сырья (молочной сыворотки, фильтрата после ультрафильтрации). В отличие от нанофильтрации электродиализ позволяет проводить деминерализацию молочного сырья до уровня 95 %. При этом большим преимуществом процесса электродиализа является возможность регулирования кислотности молочного сырья, что очень актуально при переработке кислой молочной сыворотки – творожной, казеиновой. Удаление молочной кислоты обеспечивает снижение времени кристаллизации и улучшение процесса сушки, понижение гигроскопичности сухой сыворотки, повышение степени ее растворимости, т.е. позволяет значительно улучшить ее технологические свойства с целью дальнейшей переработки и использовании. Использование процесса электродиализа позволяет организовать на молочном предприятии переработку на пищевые цели любого вида молочной сыворотки как сладкой или соленой подсырной, так и кислой – творожной и казеиновой [12, 19, 109].
Мембранные процессы осуществляются на мембранных установках, где основными рабочими элементами являются специальные полупроницаемые мембраны с различными размерами пор, пропускающими или задерживающими те или иные компоненты сырья в зависимости от цели получаемого продукта [128]. По литературным данным средний размер пор обратноосмотической мембраны составляет менее 1 нм, ультрафильтрационной от 1 до 100 нм, микрофильтрационной от 100 нм до 5 мкм, нанофильтрационной от 1 до 30 нм. Ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны также характеризуют отсечением по молекулярной массе. Данный показатель для ультрафильтрационных мембран находится в пределах от 1 до 100 кДа, для нанофильтрационных от 0,1 до 1 кДа.
Алгоритм расчета гидродинамических условий по длине конической вставки
Также на всем интервале исследования процессов, происходящих в мембранном аппарате, до момента времени t1, т.е. t0 t t1, заданы определенным образом входные сигналы u1(t), u2(t),…, um(t), которые представляют собой реальные воздействия со стороны внешней среды.
Поэтому решение системы (2.1.2) позволяет получить состояние исследуемого мембранного аппарата в момент времени t1, и, как следствие, позволяет определить выходные сигналы y1(t), y2(t),…, yr(t) через решение системы (2.1.4).
Таким образом, совокупность переменных состояния xj(t) позволяет говорить о производительности мембранного аппарата по фильтрату и определять выходные сигналы аппарата, т.е. его производительность, в зависимости от условий технологического процесса и свойств перерабатываемой среды.
Рассмотрим векторно-матричную форму записи систем уравнений (2.1.2) и (2.1.4). Представим совокупность переменных состояния анализируемого мембранного аппарата в виде n-мерного вектора состояния: x(t) 1() X2(J) I : I x (t) (2.1.5) Аналогично запишем m-мерный вектор управления и r-мерный вектор наблюдения: u(t) y(t) щ(і) u2(t) I : Г и (t) 1() I : I J r ( ) (2.1.6) (2.1.7) m-мерный вектор управления u(t) представляет собой совокупность временных функций (сигналов), которые воздействуют на входы мембранного аппарата. r-мерный вектор наблюдения y(t) является совокупностью выходных временных функций (сигналов), которые отражают изменение производительности по фильтрату в зависимости от внешних факторов, в частности, от условий технологического процесса и свойств перерабатываемой среды. С учетом (2.1.5), (2.1.6) и (2.1.7) запишем системы (2.1.2) и (2.1.3) в векторно-матричной форме: І() = ІІ()+ЙИ(); y(t) = Cx(t) + Du(t). (2.1.8) где 4 - матрица состояния (2.1.9), В - матрица управления (2.1.10), С - матрица наблюдения по состоянию (2.1.11), D - матрица наблюдения по управлению мембранным аппаратом (2.1.12). Элементы матриц находятся в функциональной зависимости от конструктивных параметров мембранного аппарата.
Полную математическую модель линейной многомерной (векторной) динамической системы n-го порядка образуют два векторно-матричных уравнения: дифференциальное уравнение состояния первого порядка в нормальной форме Коши и алгебраическое уравнение выхода (наблюдения).
Уравнения (2.1.8) представляют собой векторно-матричной модель общего вида. С ее помощью можно получить описание динамической системы, которая имеет более одного входа и более одного выхода (рисунок 2.1.1).
Перейдем к составлению математической модели мембранного аппарата в соответствии с рассмотренной методикой. На рисунке 2.1.3 схематично представлен мембранный аппарат и переменные, характеризующие происходящий в нем процесс [110]. приняты обозначения: ui(t) – входные сигналы мембранного аппарата, действующие на его входе, ; u1(t) – концентрация растворенных веществ в молочной (творожной) сыворотке, %; u2(t) – температура молочной (творожной) сыворотки, С; u3(t) – давление в канале мембранного аппарата, МПа; yk(t) – выходные сигналы мембранного аппарата, ; y1(t) – производительность аппарата в зависимости от концентрации растворенных веществ в молочной (творожной) сыворотке; y2(t) – производительность аппарата в зависимости от температуры молочной (творожной) сыворотки; y3(t) – производительность аппарата в зависимости от давления в канале мембранного аппарата; y4(t) – суммарная производительность мембранного аппарата; W1, W2, W3 – передаточные функции по каналам воздействия концентрации растворенных веществ в молочной (творожной) сыворотке, ее температуры и давления в канале мембранного аппарата на производительность по фильтрату соответственно; xj(t) – переменные состояния аппарата, . Переменные состояния в соответствии с рисунком 2.1.2: x1 = y1, x2 = y2, x3 = y3. Передаточные функции системы: ; ; . На основе анализа научной литературы и результатов экспериментальных исследований установлено, что производительность мембранного процесса по фильтрату описывается передаточной функцией апериодического звена 1-го порядка [44, 48, 52, 70, 71, 91]. Математическая модель системы: (2.1.13) (2.1.14) Аналогичным способом получены уравнения (2.1.15) и (2.1.16): (2.1.15) (2.1.16) Общее уравнение системы в матричной форме: (2.1.17) Из системы (2.1.16) формируются матрицы коэффициентов А и В: (2.1.18) (2.1.19) С учетом (2.1.14), (2.1.15) и (2.1.16): (2.1.20) (2.1.21) Численные значения элементов матриц А и В определяются на этапе параметрической идентификации математической модели. Несомненным преимуществом полученной векторно-матричной модели является возможность определения производительности мембранного аппарата по фильтрату при изменении внешних факторов во времени. Если известна функциональная зависимость, характеризующая динамику внешнего воздействия, то математическая модель позволить определить производительность мембранного аппарата с учетом этой динамики. Программная реализация модели позволяет определить изменение производительности по фильтрату в зависимости от каждого входного параметра, а также суммарную производительность.
Определение рациональных значений конструктивных параметров мембранного аппарата
Экспериментальные исследования проводились при ранее установленных рациональных значениях конструктивных параметров L = 2 мм, N = 12 рядов, D = 1 мм. На начальном этапе проведены исследования влияния температуры концентрируемой молочной (творожной) сыворотки (Т, С) на производительность мембраны по фильтрату (G, м3/(м2с)). Результаты экспериментального исследования представлены на рисунке 3.4.1.
При увеличении температуры концентрируемой молочной (творожной) сыворотки производительность мембраны по фильтрату возрастает. Это связано с уменьшением вязкости сыворотки и, соответственно, со снижением плотности слоя задерживаемых веществ на мембране, т.е. сопротивление слоя с увеличением температуры падает. При температуре выше 60С происходит денатурация сывороточных белков. Поэтому исследования при данных температурах не проводились.
На следующем этапе проведены исследования влияния давления в канале мембраны (р, МПа) на производительность мембраны по фильтрату (G, м3/(м2с)). Результаты экспериментального исследования представлены на рисунке 3.4.2. 8 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Максимальная производительность наблюдается при р = 0,15МПа. При меньших значениях создается меньшая движущая сила процесса (разность давлений внутри и снаружи мембраны), поэтому скорость образования фильтрата невелика. При больших значениях слой задерживаемых веществ на мембране уплотняется, что создает препятствие образованию фильтрата. Поэтому производительность процесса падает [117].
Для оценки совокупного воздействия технологических параметров процесса концентрирования на производительность мембраны по фильтрату получено уравнение регрессии в форме полинома второго порядка (3.3.1). Для построения регрессионной модели проведен активный эксперимент на основе матрицы планирования (приложение 4). Основные параметры расчета уравнения регрессии также приведены в приложении 4. Статистически установлено, что коэффициенты уравнения b12, b11 являются незначимыми, поэтому они исключаются. Регрессионная модель адекватна экспериментальным данным, что подтверждается оценкой по критерию Фишера (Fкрит = 4,7; Fрасч = 4,2049; Fкрит Fрасч). Уравнение регрессии в натуральном масштабе имеет вид (3.4.1). Т (3.4.1) Рациональными значениями являются Т = 60 С, р = 0,15МПа, при которых наблюдается максимальная производительность аппарата, составляющая 8,82910-6м3/(м2с). Однако процесс мембранной переработки молочной сыворотки ведут при температурах, близких 20С, поскольку они не требует дополнительных энергозатрат на охлаждение или на нагревание сыворотки, т.к. совпадает с температурой производственных помещений.
Максимум уравнения регрессии (3.4.1) можно оценить на 3D-поверхности, отражающей зависимость производительности мембраны по фильтрату от технологических параметров (рисунок 3.4.3). 3.5 Сравнительные исследования мембранного аппарата
В качестве прототипа выбран типовой мембранный аппарат [18], реализованный на базе исследовательских лабораторий ФГБОУ ВО «КемТИПП» для экспериментальных исследований процесса концентрирования. р, МПа 60 0,3 Рисунок 3.4.3 – Влияние температуры сыворотки (Т) и давления в канале мембраны (Р) на производительность мембраны по фильтрату (G) L = 2 мм, N = 13 рядов, D = 1 мм
Прототип имеет цилиндрический корпус, с одной стороны которого расположен патрубок для ввода исходной среды, с другой стороны – патрубок для вывода концентрата продукта. Патрубок предназначен для вывода фильтрата. В корпусе коаксиально установлена полупроницаемая ультрафильтрационная мембрану длиной 0,4 м с диаметром внутреннего канала 0,006 м. Прототип имеет низкую производительность по фильтрату, что объясняется формированием слоя задерживаемых мембраной веществ на ее поверхности.
На рисунке 3.5.1 представлены сравнительные результаты экспериментов, полученные при рациональных значениях конструктивных и технологических параметрах. 15 4 1200 - —"- 2400 3600 t, с 4800 6000 7200 Рисунок 3.5.1 – Производительность разработанной конструкции и прототипа при переработке молочной (творожной) сыворотки при L = 2 мм, N = 12 рядов, D = 1 мм, Т = 20С, р = 0,15МПа Экспериментально выявлена максимальная производительность прототипа аппарата при переработке творожной сыворотки (рисунок 3.5.1), составляющая 5,610-6м3/(м2с). Таким образом, использование перфорированной вставки в составе мембранного аппарата позволило увеличить его производительность в среднем в 1,4 раза. Это можно объяснить тем, что направленный поток раствора, проходящий через отверстия вставки, увеличивает турбулизацию внутри мембранного канала, что способствует снижению толщины слоя осадка, образованию фильтрата и интенсификации мембранного процесса.
Разработка комплекса математических моделей мембранной переработки творожной сыворотки
Основные виды желе [87] производятся на основе плодово-ягодного сырья, творожной сыворотки и сахара-песка. Плодово-ягодное сырье. Плодово-ягодное сырье отбирают по качественным показателям, затем моют, сушат и производят измельчение до размера частицы около 0,5-1 мм. После этого измельченное плодово-ягодное сырье отправляют на ферментативный гидролиз. Ферментация осуществляется при температурах от 40 до 45С и кислотности в пределах 4,8-5 и занимает ориентировочно 120 минут. Фермент вносится в количестве около 0,03% по массе продукта, подвергаемого ферментации. По завершении процесса ферментации полученный продукт сепарируют, отделяя мезгу и сок. После сепарирования сок сгущается в ротационных вакуум-выпарных аппаратах при температурах от 50 до 55С, доводя количество сухого остатка до массы 55-60%.
Тепловую обработку сока проводят после его концентрирования непосредственно в вакуум-выпарных аппаратах. Процесс пастеризации проходит при температурах около 72С, выдержка составляет не более 20 секунд.
Мезга, полученная в процессе сепарирования, высушивается в вибро-кипящем слое при температурах от 50 до 55С до достижения остаточной влажности от 8 до 10%. Затем измельчается мельницей-дезинтегратором до частиц размером 0,02мм. Сахар-песок. Подготовка сахара-песка предполагает помол сахара до состояния порошка и его дальнейшее просеивание. Творожная сыворотка. Приготовление творожной сыворотки включает следующие технологические этапы: Сбор, приемка творожной сыворотки и оценка ее качества. Сыворотка принимается по качеству и массе согласно гигиеническим требованиям и требованиям действующей нормативно-технической документации. Документация регламентирует массовую долю растворенных веществ 6% и кислотность, не превышающую 75Т.
Фракционирование казеиновой пыли и жировой фазы. Очистка творожной сыворотки от казеиновой пыли проходит в две стадии. На первой стадии осуществляется выделение казеиновой пыли с помощью сепаратора-осветлителя. На второй стадии осуществляется процесс отделения жира с помощью сепаратора-сливкоотделителя.
Все сухие (сахар, плодово-ягодное сырье, желатин) и жидкие (сыворотка, сгущенный сок) компоненты подаются в смеситель. Тщательно перемешанная смесь проходит процесс набухания. Затем смесь подвергается термической обработке при температуре 95С без выдержки. После смесь охлаждают до температуры 65-69С, регулируют рН до значений 4,0-4,2 с помощью лимонной кислоты. Готовый продукт отправляют на расфасовку и медленно охлаждают. Срок реализации продукта не более 30 суток.
Полученное желе характеризуется следующими органолептическими показателями: внешний вид и консистенция: не текучий, однородный продукт, сохраняющий форму тары с полным отсутствием адгезии с материалом упаковки, с ровной, глянцевой поверхностью, желеобразной консистенцией, возможно имеющий мелкие, мягкие вкрапления частиц плодово-ягодного пюре, равномерно распределенные по объёму конечного продукта; вкус: кисло-сладкий, характерен при использовании плодово-ягодного сырья; запах: чистый, в зависимости от внесенных наполнителей, без посторонних запахов; цвет: определяется внесенными наполнителями, равномерен по всему объему продукта.
В общем виде технологическая схема производства желе на основе творожной сыворотки из плодово-ягодного сырья приведена на рисунке 5.2.1, аппаратурная схема процесса - на рисунке 5.2.2. 10 – мельница для сахара, 11 – смеситель, 12 – охладитель
Так как насыщение пищевых продуктов на основе творожной сыворотки аминокислотами в составе сывороточных белков (метионин, валин, треонин, изолейцин, лизин, фенилаланин, лейцин, тирозин и др.) является перспективным направлением, предложено обработать ее с помощью мембранных методов.
Ультрафильтрат творожной сыворотки содержит до 25-30% сухих веществ, в том числе белковые вещества, что значительно повышает пищевую ценность готового продукта на ее основе.
Подготовка творожной сыворотки с применением мембранного метода ультрафильтрации предусматривает следующие технологические стадии. На первой стадии осуществляют прием, проверку качества сырья. На второй стадии происходит процесс выделения казеиновой пыли и жира. На заключительной стадии творожная сыворотка подвергается переработке на ультрафильтрационной установке при температурах около 20С, под давлением 0,15МПа. При этом образуются концентрат сывороточных белков (ретентат) и фильтрат (пермеат), который представляет собой сыворотку, обедненную белковыми веществами.
Далее аналогично предыдущим технологическим этапам подготовленные жидкие и сухие компоненты подают в смеситель, после чего смесь проходит процесс набухания, подвергается термической обработке и охлаждению. Готовый продукт направляют на фасовку и хранение.
Технологическая схема производства желе на основе творожной сыворотки из плодово-ягодного сырья предлагаемым способом изображена на рисунке 5.2.3, аппаратурная схема процесса – на рисунке 5.2.4.
На предприятии ООО «Биотек» проведены опытно-промышленные исследования мембранного оборудования, включающего предложенный мембранный аппарат. Технические параметры оборудования приведены в разделе 4.2. В приложении 6 представлены результаты и акты приемки и испытаний.
Оборудование с мембранами для ультрафильтрации использовалось в технологической линии производства желе на основе творожной сыворотки с добавлением плодово-ягодного сырья в соответствии с рецептурой, представленной в таблице 5.2.1.