Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование эффективности роторных аппаратов с модуляцией потока для интенсификации процессов пищевых производств 18
1.1. Анализ методов импульсных энергетических воздействий на гетерогенные системы для интенсификации технологических процессов 18
1.1.1. Воздействие на процессы в гетерогенных системах 18
1.2. Интенсификация технологических процессов в роторных аппаратах с модуляцией потока при импульсном воздействии на гетерогенные системы 24
1.3. Анализ методов интенсификации технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях на гетерогенные системы .29
1.3.1. Системный анализ энергетических воздействий 29
1.3.2. Анализ методов интенсификации 36
1.4. Системный анализ факторов воздействия на гетерогенные системы в роторных аппаратах с модуляцией потока 39
1.5. Способы интенсификации извлечения целевого продукта из растительного сырья 41
1.6. Выводы 56
Глава 2. Нестационарные течения в аппаратах для пищевого производства .
2.1. Аппараты с нестационарными потоками обрабатываемой текучей среды 59
2.2. Классификация аппаратов 73
2.3. Основные процессы пищевого производства и аппараты с нестационарными переходными течениями типа РАМП 74
2.4. Нестационарное ламинарное течение жидкости в модуляторе роторного аппарата 75
2.4.1. Течение вязкой несжимаемой жидкости в модуляторе с прямоугольным сечением патрубков ротора и статора 76
2.4.2.Профиль скорости жидкости в трубе прямоугольного сечения в начальный момент изменения градиента давления в модулятор 88
2.4.3.Течение вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической трубе 92
2.4.4. Начальный профиль скорости жидкости в цилиндрической трубе 99
2.5. Выводы 104
Глава 3. Переходные релаксационные гидромеханические процессы в модуляторе роторного аппарата 105
3.1. Уравнение течения жидкости через гидравлический участок с переменной площадью проходного сечения 106
3.2. Критерии подобия, характеризующие течение жидкости через модулятор 129
3.2.1. Медленное перекрывание, или квазистационарное течение..139
3.2.2. Ламинарный режим нестационарного течения жидкости через модулятор 140
3.2.3. Турбулентный режим нестационарного течения жидкости через модулятор 141
3.3. Коэффициенты гидравлического сопротивления при стационарном и нестационарном течении 142
3.4. Анализ коэффициентов гидравлического сопротивления модифицированного модулятора 146
3.5. Кавитационные режимы работы роторных аппаратов 158
3.6. Выводы 164
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования извлечения белка из шрота сои 166
4.1. Физическая ячеечная модель экстрагирования вещества из твердой диспергируемой частицы 166
4.2. Создание стенда для проведения экспериментов 169
4.3. Экспериментальные исследования шрота сои как объекта экстрагирования 173
4.3.1. Шрот сои и его основные показатели 174
4.3.2. Влияние обработки соевого шрота в РАМП на структуру системы «соевый шрот - экстрагент» 180
4.3.3. Влияние дисперсности шрота сои на кинетику капиллярной пропитки 185
4.3.4. Влияние температуры на коэффициент диффузии растворимого белка в процессе набухания шрота сои 189
4.3.5. Влияние соотношения твердой и жидкой фаз на степень извлечения белка из шрота сои 196
4.4. Анализ кинетики экстрагирования белка из шрота сои в РАМП .199
4.5. Выводы 205
Глава 5. Разработка метода расчета роторного аппарата-экстрактора на заданные производительность и значение критерия кавитации 208
5.1. Анализ, выбор и обоснование критериев и параметров для расчета роторных аппаратов с модуляцией потока 211
5.2. Разработка методов расчета роторных аппаратов с модуляцией потока на основе инженерной оптимизации 215
5.3. Основные направления проектирования и классификация роторных аппаратов с модуляцией потока 219
5.4. Расчет роторного аппарата на основе теоретических и экспериментальных исследований гидромеханических и экстракционных процессов в аппарате 220
5.5. Техническая характеристика аппарата-экстрактора 239
5.6. Форма полости ротора 241
5.7. Возможные варианты включения аппарата-экстрактора типа РАМП в технологическую схему экстрагирования белка 244
5.8. Диссипация энергии в аппарате и нагревание суспензии шрота .249
5.9. Обсуждение результата расчета РАМП 251
5.10. Выводы 252
Глава 6. Применение роторных аппаратов для интенсификации технологических процессов при получении карамельной массы 253
6.1. Постановка задачи 253
6.2. Течение смеси сахара и патоки в зазоре между ротором и статором РАМП. Расчет мощности привода ротора 254
6.3. Исследование процесса нагревания жидкости в зазоре между ротором и статором 258
6.4. Экспериментальная установка для растворения сахара в патоке. 261
6.5. Экспериментальное исследование процесса нагревания гетерогенной смеси сахара и патоки 265
6.6 Кинетика образования редуцирующих веществ при получении карамельной массы в роторных аппаратах 272
6.7 Выводы 277
Основные результаты и выводы 279
Список использованной литературы 283
Приложение
- Интенсификация технологических процессов в роторных аппаратах с модуляцией потока при импульсном воздействии на гетерогенные системы
- Основные процессы пищевого производства и аппараты с нестационарными переходными течениями типа РАМП
- Критерии подобия, характеризующие течение жидкости через модулятор
- Экспериментальные исследования шрота сои как объекта экстрагирования
Введение к работе
щ
Основное направление и актуальность исследования. Интенсификация технологических процессов пищевых производств является одной из важных задач науки и техники. К отраслевой проблеме многих пищевых технологий, требующей научно обоснованного решения, относится задача интенсификации процессов экстрагирования и растворения. Основой увеличения производительности и снижения энергозатрат на проведение процессов служит проектирование, создание и внедрение высокоэффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые среды. В настоящее время перспективным научно-техническим направлением является разработка процессов и аппаратов с энергетическими воздействиями на гетерогенные среды за счет импульсного режима течения. Подобные разработки базируются на новых теоретических, экспериментальных, инженерных решениях и исследованиях физико-химических процессов в обрабатываемых средах при интенсивных импульсных воздействиях.
К аппаратам, реализующим импульсные энергетические воздействия относятся роторные аппараты с модуляцией потока (РАМП), принцип работы которых основан на создании импульсного режима течения. Интенсификация процессов в аппаратах роторного типа обусловлена акустическими и механическими воздействиями на обрабатываемую среду в импульсном потоке обрабатываемой жидкой гетерогенной системы, заключающихся в возбуждении гидродинамической и акустической импульсной кавитации, пульсациях давления и скорости потока жидкости, развитой турбулентности, мелкомасштабных пульсациях в локальных объемах жидкости при пульсациях и кумулятивном несимметричном схлопывании кавитационных пузырей, больших сдвиговых и ударных нагрузках.
Сложность гидромеханических нелинейных процессов трансформации энергии в аппаратах не всегда позволяет научно обоснованно их рассчитать и
определить оптимальные режимы работы с целью интенсификации процессов пищевых производств.
Данная работа выполнялась по заказам Федерального агентства по сельскому хозяйству (договор № Д0156-6/А от 19 ноября 2004 г.), ЗАО «Златоустовская кондитерская фабрика» и ОАО «Златоустовский абразивный завод» и в соответствии с планами НИР кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУТУ «Совершенствование тегогомассообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос. регистр. № 1960010987), «Интенсификация технологических процессов в нестационарных потоках и их аппаратурное оформление (гос. Регистр. № 0120.0 602985).
Таким образом, разработка аппаратов многофакторного синергетического воздействия, в которых возникают периодические переходные гидромеханические процессы с акустическим и гидродинамическим импульсным кавитационным воздействием, позволяющие эффективно интенсифицировать различные, процессы пищевых производств с существенным уменьшением удельного расхода энергии, является одной из приоритетных задач развития науки и техники АПК.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы являлась интенсификация процессов пищевых производств, совмещенных с диспергированием, в нестационарных периодических потоках обрабатываемой текучей среды и создание научных методов расчета роторных аппаратов с модуляцией потока, для достижения которой были определены следующие задачи:
- системный анализ методов интенсификации физико-химических процессов за счет различных факторов воздействий, основанных на конкретных физико-химических эффектах, с целью выявления наиболее перспективных . и эффективных методов обработки жидких гетерогенных сред;
анализ производства белоксодержащей продукции с точки зрения национальной продовольственной безопасности страны и приоритетных направлений развития науки и техники агропромышленного комплекса;
теоретические и экспериментальные исследования структуры и закономерностей потоков жидкости в рабочих зонах РЛМП, построение корректных и адекватных реальной гидромеханической обстановке моделей течения ньютоновских и неиьютоковских жидкостей в рабочих зонах аппарата при различных режимах течения;
исследование импульсной гидродинамической и акустической кавитации, возникающей в РАМП;
теоретические и экспериментальные исследования шрота сои как объекта экстрагирования;
исследование влияния физических методов интенсификации процесса экстрагирования, методов подготовки объекта экстрагирования, соотношения твердой фазы к жидкой на продолжительность процесса и степень извлечения белка из шрота сои;
разработка метода расчета и проектирования РЛМП для интенсификации процесса экстрагирования на основе оптимизации кавитационного воздействия на процесс;
- исследование реологических параметров, течения и нагревания смеси
сахара в патоке в зазоре между ротором и статором, кинетики образования
редуцирующих веществ в процессе растворения сахара в патоке при
производстве карамельной массы и разработка метода расчета роторного
аппарата для интенсификации процессов в вязких термолабильных жидкостях.
Методическая база и методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе фундаментальных законов сохранения массы, энергии и импульса при механических, тепловых и массообменных процессах, применения теории периодических релаксационных гидромеханических процессов при течении вязкой несжимаемой жидкости и сжимаемой газожидкостной смеси при политропическом процессе газа в пузыре.
Результаты измерений обрабатывали методами математической статистики. Достоверность полученных результатов подтверждена необходимыми и достаточными экспериментальными исследованиями, удовлетворительной корреляцией теории и экспериментальных данных.
Научная новизна. В процессе исследований автором получены следующие научные результаты:
на основе решения уравнения двумерного ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной трубе с подвижными стенками и в цилиндрической трубе, совершающей произвольные колебания вдоль оси, при произвольном периодическом градиенте давления выявлено, что интенсивность пульсациоиной составляющей скорости жидкости достигается при меньших плотностях кинетической энергии, чем при стационарном турбулентном режиме течения. Это обуславливает эффективную интенсификацию процессов переноса при нестационарных ламинарных течениях;
разработана ячеечная модель течения вязкой сжимаемой газожидкостной смеси в виде интегро-дифференциального уравнения скорости течения смеси в модуляторе, коэффициенты которого включают его эффективную длину и функцию давления с поправочными коэффициентами, позволяющего определить кинетические и динамические характеристики течения смеси через модулятор роторного аппарата; '
разработана физическая ячеечная модель экстракции вещества из диспергируемой частицы и на основе проведенных экспериментальных исследований выявлено, что скорость процесса экстракции определяется гидромеханическими условиями проведения процесса, уменьшающими толщину пограничного слоя, и постоянным обновлением поверхности раздела фаз путем измельчения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде;
научно обоснованы рациональные условия проведения'- процесса экстрагирования на основе экспериментальных исследований свойств соевого шрота и экстрагирования белка в кавитационной области камеры роторного аппарата с модуляцией потока;
разработан метод расчета роторного аппарата-экстрактора, включающий результаты теоретических и экспериментальных исследований течений обрабатываемой среды через модулятор и импульсной гидродинамической и акустической кавитации;
разработан метод расчета кинематических и динамических параметров стационарного потока неныртоновской жидкости в зазоре между ротором и статором на основе линейного дифференциального уравнения течения жидкости;
- разработаны математические модели процесса нагревания и кинетики
образования редуцирующих веществ в процессе растворения сахара в патоке
при производстве карамельной массы, что легло в основу расчета роторного
аппарата для интенсификации процессов в вязких термолабильных жидкостях.
Практическая значимость разработок, полученных лично автором.
разработан процесс экстракции белков из шрота сои, совмещенный с процессом диспергирования в переходных релаксационных потоках обрабатываемой среды в роторном аппарате-экстракторе, сопровождающийся импульсной акустической и гидродинамической кавитацией;
на основе теоретических и экспериментальных исследований течений жидкости в модуляторе, экстракции белка из шрота сои и получения карамельной массы разработаны методы расчета роторных аппаратов-экстракторов и аппаратов-растворителей, позволяющие определить технические характеристики роторного аппарата;
разработана классификация кавитационных режимов работы роторного аппарата, получено математическое определение их границ и . значение обобщенного критерия кавитации, когда воздействие на процесс является максимальным;
- предложены возможные варианты включения роторного аппарата-
экстрактора в различные технологические схемы получения белка;
исследован способ растворения сахара в патоке без добавления воды в роторном аппарате-растворителе, позволяющий ограничить степень нагревания карамельной массы и концентрацию редуцирующих веществ;
разработан роторный аппарат для проведения процессов массопереноса, совмещенных с процессом диспергирования, на который получено положительное решение от 05.12.2005 г. № 2004133695 о выдаче патента РФ;
- научно-технические разработки диссертации подтверждены актами
испытаний, протоколы которых приведены в приложениях диссертационной
работы;
результаты приведенных научных исследований диссертации используются в учебном процессе - при чтении лекций, выполнении практических работ и дипломных НИР, написании учебных пособий по дисциплинам: «Технология и оборудование пищевых производств», «Механика жидкости и газов».
'" Реализация результатов исследования и апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих научных форумах: IX научная конференция 11 ТУ 29-30 апреля 2004 г., г. Тамбов; X и XI Международные научно-практические конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», М.: МГУТУ, .2004, 2005 гг.; Всероссийская научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи», СГТУ, г. Саратов, 2004 г.; 56, 57 и 58 ежегодные научно-технические конференции преподавателей ЮУрГУ филиала в г. Златоусте в 2004, 2005, 2006 гг.; Международная научная конференция «Энерго- ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», 14-17 сентября 2004 г., ИГХТУ, г. Иваново; третья Международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век», март-май, Орел. 2005; Международная научно-практическая конференция — составляющие научно-технического прогресса «Components of scientific and technical progress». 22-23 апреля 2005 г., г. Тамбов; Международная конференция «Технологии и продукты здорового питания». 6-8 июня, М.:
МГУПП, 2005 г.; XI Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности», 2-3 ноября 2005 г., г. Москва.
Публикации. Всего опубликовано 48 научных трудов, из них 34 по теме диссертации, в том числе две монографии, 17 статей в журналах по списку, утвержденному ВАК, одно положительное решение на выдачу патента РФ.
Струкгура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 365 наименований, основных обозначений и сокращений. Работа изложена на 313 с, содержит 9 таблиц, 64 рисунка и 14 приложений.
Интенсификация технологических процессов в роторных аппаратах с модуляцией потока при импульсном воздействии на гетерогенные системы
Роторные аппараты используются для обработки таких гетерогенных систем как «жидкость в жидкости», «твердое тело в жидкости» и «газ в жидкости». Для каждого конкретного технологического процесса, существуют определенные предпочтения в типе конструктивного и технологического оформления РАМП.
РАМП различных видов и модификаций нашли применение в гидромеханических и тепломассообменных процессах за счет широкого спектра факторов воздействия: механическое воздействие на частицы гетерогенной системы заключается в ударных, срезывающих и истирающих нагрузках, их контактах с элементами конструкции РАМП, больших сдвиговых напряжениях в жидкости, гидродинамических эффектах; акустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и других вторичных нелинейных акустических эффектов; тепловое воздействие заключается в нагревании гетерогенной системы при трансформации части акустического и механического воздействий в тепло.
Краткий обзор, который будет сделан ниже, покажет основные области применения РАМП и их потенциальные возможности. Названия аппаратов будут приводится так, как это сделано в литературных источниках.
Как уже отмечалось, в РАМП обрабатываемая текучая гетерогенная система подвергается импульсному энергетическому воздействию. Многие исследователи изучали в экспериментальном и теоретическом плане факторы воздействия, имеющие место в РАМП [318-338]. Исследование каждого из факторов воздействия в отдельности не представляет собой сложную задачу.
Сложность проблемы заключается в том, что все факторы воздействия взаимосвязаны друг с другом, и их взаимодействие создает новый качественный эффект. Выделить из общей совокупности механических, гидромеханических и акустических явлений и взаимодействий отдельный фактор принципиально возможно, но этот путь не является методически правильным и часто приводит к ошибочным результатам. При изучении каждого фактора воздействия в отдельности обязательно надо учитывать нелинейную взаимосвязь всех факторов, имеющих место в РАМП.
В связи с тем, что скорость потока жидкости в патрубке статора велика и имеет флуктуации, поток является турбулентным. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникают большие сдвиговые напряжения. Рабочие поверхности ротора и статора воздействуют на жидкую гетерогенную систему за счет механического контакта, создавая большие срезывающие и сдвиговые усилия.
Пульсации давления и скорости потока жидкости, интенсивная кавитация, развитая турбулентность, ударные волны и кумулятивные струйки от охлопывания навигационных пузырей, большие сдвиговые и срезывающие напряжения - это факторы воздействия на жидкую гетерогенную среду, подлежащие изучению, моделированию, оптимизации и использованию для повышения эффективности работы РАМП и интенсификации ФХП.
Исследования импульсной акустической кавитации проводились в основном экспериментальными методами. Это связанно с тем, что в настоящий момент достаточно удовлетворительно разработана теория поведения только одиночного кавитационного пузыря в стационарном акустическом поле. Аналитическое описание динамики кавитационной области сформировано лишь в первом приближении. Сложность описания кавитации заключается в том, что она возникает в движущемся потоке жидкости, и при этом жидкость подвергается термодинамическому сжатию и разрежению. В силу этого в РАМП генерируется кавитация особого типа, названная В.Ф. Юдаевым как импульсная акустическая и гидродинамическая кавитация [23].
Аналитическое и экспериментальное исследование импульсной кавитации как компактной области источников звука типа монополь в РАМП впервые были разработаны В.Ф. Юдаевым [185, 186]. Уравнение динамики кавитационного пузырька было дано в аппроксимации Херринга. А.И. Зимин [60, 61] теоретически рассматривал поведение кавитационного пузыря с учетом тепломассообмена на основе уравнения Херринга-Трайлинга под воздействием переменного давления.
В работах [27, 61] установлено, что при невысокой скорости потока жидкости кавитационные пузыри образуются и схлопываются в патрубке статора, а при большом расходе жидкости они выносятся потоком в рабочую камеру и схлопываются там раньше, чем закончится первичный импульс давления.
Различными исследователями обнаружено, что в период своего существования кавитационные пузыри синфазно совершают несколько пульсаций и затем схлопываются [60, 23]. Однако в работах [27] отмечено, что амплитуда кавитационных импульсов уменьшается при увеличении скорости перекрывания каналов статора. В дальнейшем [60] падение амплитуды кавитационных импульсов объясняется тем, что кавитация не успевает развиться при малой длительности импульса давления, возбуждающего кавитацию. Подобное объяснение справедливо для высоких частот вращения и указывает на предел для частоты вращения ротора, при достижении которого интенсивность кавитации не увеличивается, а даже снижается (наблюдается суперкавитационный режим работы РАМП).
РАМП является генератором колебаний в жидкости, причем объектом озвучивания и носителем колебаний служит обрабатываемая жидкость. В силу этого в РАМП возникают акустические поля сложной структуры, нелинейные акустические эффекты.
Основные процессы пищевого производства и аппараты с нестационарными переходными течениями типа РАМП
Классификацию применения аппаратов сформулируем по основным процессам пищевой технологии и целевым назначениям. 1. Гидромеханические процессы: - перемешивание при восстановлении молока, других молочных продуктов, соков; - приготовление мороженого; - приготовление косметических жидкостей, эмульсий, кремов, душистых веществ. 2. Массообменные процессы: - экстракция белков из сои и её" шрота; - экстракция лекарственных веществ из различных частей растений и тканей животных; - диспергирование муки пшеничной, кукурузной для увеличения выхода высококачественного крахмала; - растворение сахара в патоке для получения карамели. 3. Биохимические процессы: - приготовление питательной среды в виде эмульсий для интенсификации объемного роста микроорганизмов; - диспергирование воздуха в биореакторах чистой культуры с целью снижения затрат на стерилизацию меньшего количества воздуха; приготовление лекарственных сиропов, антибиотиков, дезинфицирующих продуктов в виде мазей; - ультразвуковая стерилизация. 4. Механические процессы: - получение майонеза с низким (до 40% и менее) содержанием жиров, детских кремов; - получение томатного сока направленного целебного действия, сока других овощей, ягод и фруктов с добавками вытяжек целебных растений с одновременной ультразвуковой стерилизацией; - получение жировых эмульсий и кремов с добавками высоковязких компонентов.
Модулятор роторного аппарата соединяет полость ротора и камеру аппарата (см. рис. 2.3). Если выполняется условие, что за период модуляции из полости ротора вытекает объем много меньше объема полости ротора и тем более объема камеры, то можно предположить [180], что градиент давления жидкости в модуляторе изменяется по закону изменения площади диафрагмы модулятора (см. рис. 2.5): вследствие постоянного притока обрабатываемой среды от внешнего источника давления, например, насоса, через входной патрубок в полость ротора и большого объема полости ротора по сравнению с объемом среды, вытекающей из полости ротора через модуляторы аппарата в камеру. В этом случае для течения жидкости через модулятор можно написать линейное дифференциальное уравнение ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости через модулятор в виде [18]: где u,t,P - скорость, время, давление жидкости; v,p - коэффициент кинематической вязкости и плотность жидкости; A,V - операторы Лапласа и Набла. Предполагая двумерное движение жидкости в модуляторе и обозначая продольные компоненты скорости vx{y,i) и vx(z,t) уравнение (2.4.2) перепишем следующим образом: где х - продольная координата, ux=v(y,z,t) - скорость как функция поперечных координат у, z прямоугольной формы сечения патрубков модулятора и времени t. прямоугольным сечением патрубков ротора и статора Уравнение (2.4.3) в двумерной прямоугольной системе координат примет вид: Здесь и - известные скорости на стенках трубы (рис. 2.10). Две другие стенки: z = ±h -неподвижные. Так как fit ) периодическая функция, то и функция скорости от времени также является периодической, и условием решения (2.4.1.5) будет равенство скоростей через период (периодичность скорости): i/ yV ) = i/(y /+r). (2.4.1.14) Решаем совместно уравнения (2,4.1,5), (2.4.1.13) и (2.4.1.14) методом разделения переменных [138] и представляем в виде суммы решений линейного дифференциального уравнения v = v x(y ,t )+u x(z ,t ). Для первого компонента (далее с целью упрощения записи v\{y\t ) = v {y ,t )), как с более сложными граничными условиями, получим общее решение для скорости Рис. 2.10. Система координат и граничные условия дифференциального уравнения течения вязкой жидкости в прямоугольной трубе с боковыми стенками, движущимися по произвольному закону: отсчет координат идет от оси трубы 0;a,h полуширина и полувысота трубы; v j, v 2 -относительные скорости стенок трубы при v--1 ну- 1
Критерии подобия, характеризующие течение жидкости через модулятор
Чтобы найти критерии подобия для исследуемого нами процесса, приведем величины, входящие в уравнение (3.1.107) к относительным величинам. Для этого выберем масштабы переменных величин, которыми являются скорость и время. Как заметил Л.И.Седов [133], на конструкцию критерия подобия влияет процесс, но не масштабы переменных величин, т. к. физическая величина не зависит от единицы ее измерения. В нашем случае мы не конструируем критерии подобия. Они должны получиться автоматически при приведении дифференциального уравнения (3.1.107) к виду в относительных величинах. В работах А.И.Зимина [60, 61, 90] в качестве масштаба скорости принималась средняя скорость по площади проходного сечения патрубка статора за период модуляции площади проходного сечения во времени, т. е. где Qcp - средний расход текучей обрабатываемой среды через аппарат; Zc -число отверстий (патрубков) в статоре; Soc - площадь проходного сечения в отверстии (патрубке) статора. Выбранный масштаб скорости неудачен по нескольким причинам. Во-первых, уравнение течения жидкости (3.1.107) решаем для того, чтобы найти расход жидкости через аппарат: где Q{ - расход жидкости через одно отверстие (патрубок) статора за период модуляции Т.
Не решив уравнение (3.1.107), нельзя найти интеграл в формуле (3.2.2), а если уравнение решено, то зачем оно нам нужно в относительных величинах? Уравнение течения жидкости через модулятор решаем для того, чтобы найти u(t), а затем уже другие интегральные (средние за период) характеристики, одной из которых и является расход жидкости через аппарат. Во-вторых, если за масштаб скорости принять среднюю скорость то все кривые зависимости относительной скорости от времени модуляции за период будут одинаковыми, и окажется, что таким способом нельзя увидеть особенности течения жидкости через модулятор при изменении геометрических, кинематических, гидравлических характеристик модулятора и аппарата в целом. Этих замечаний достаточно, чтобы вернуться к первым работам [28, 189], где масштаб скорости получен из решения характерной идеализированной задачи неустановишегося течения жидкости через патрубок. Рассмотрим короткий патрубок 2 длиной /, в котором имеется диафрагма 3, проходное сечение которой изменяется по некоторому закону s(t) (рис. 3.5). Патрубок соединяет между собой резервуар 1 с повышенным давлением Рр и окружающую среду, давление в которой Ре Рр. Если диафрагму открыть, то под действием разности давлений жидкости Д? = Рр - Рс жидкость в патрубке будет двигаться с ускорением до тех пор, пока скорость течения не установится до стационарного значения щ, которое определим из уравнения Бернулли для стационарного течения идеальной жидкости Допустим, что размеры резервуара много больше размеров патрубка. В этом случае можно пренебречь скоростью жидкости в резервуаре и, по сравнению со скоростью течения в патрубке v0 и найти установившуюся скорость истечения идеальной жидкости через отверстие при разности давления АР на нем, которое определяется формулой Торричелли:
В уравнении (3.2.4) жидкость полагается несжимаемой {р = const), массовыми силами пренебрегаем, так же как и силами вязкого трения (жидкость идеальная). Решим задачу о процессе установления течения при внезапном изменении
Экспериментальные исследования шрота сои как объекта экстрагирования
Большинство исходных продуктов растительного происхождения, в том числе и соевый шрот, относится к сырью малой экстрактивное, то есть имеют низкий коэффициент диффузии извлекаемых целевых веществ. Однако известные из литературных источников работы по исследованию
сорбционно-структурных свойств ряда объектов экстрагирования показали, что, используя специальные физические методы подготовки объектов к экстрагированию, интенсифицируя процесс экстрагирования, а также оптимизируя соотношение твердой и жидкой фаз, можно резко сократить его продолжительность, повысив одновременно степень извлечения целевых веществ.
Шрот сои и его основные показатели Соевые семена на маслоэкстракционных заводах перерабатывают без предварительного съема масла путем экстрагирования сырого лепестка с получением пищевых и кормовых шротов (рис. 4.4). Такая схема позволяет получать шрот с заданным соотношением растворимых и нерастворимых белков. При получении пищевого шрота семена обрушивают и отделяют оболочки и зародыши ядра, затем их перерабатывают. Оболочка в соевых семенах составляет 8-9% их абсолютной массы, зародыша - 2%. Химический состав отдельных частей соевого семени приведен в табл. 4.1.
Соевый шрот содержит до 40-50% протеина, богатого незаменимыми аминокислотами. Для удаления из шрота нежелательных веществ (трипсинового ингибитора) его обычно подвергают влаготепловой и механической обработке. Действующими государственными стандартами предусмотрены основные показатели для кормового и пищевого шротов, приведенные в табл. 4.2.
Эффективность экстрагирования из обезжиренного шрота определяют по количественному и качественному выходу конечного продукта (белкового изолята). Анализ процесса экстрагирования применительно к традиционному аппаратурному оформлению показывает, что его эффективность обусловлена рядом факторов, важнейшими из которых считаются рН, тип и концентрация растворителя (экстрагента), технологические свойства исходного твердого сырья, соотношение фаз, температура процесса, его продолжительность. Экстрагирование белка из шрота осложняется, с одной стороны, фактором многокомпонентной системы, включающей в себя белки, остаточные липиды, вещества углеводного, минерального и иного характера, с другой - природой белков. Эти факторы осложняют моделирование процесса экстрагирования. Кроме того, сам процесс экстрагирования еще недостаточно изучен. Исключение составляют несколько модельных систем, зачастую достаточно грубо приближенных к сложной коллоидной системе, которую представляют собой белки.
Известные исследования процесса экстрагирования белков в основном охватывают изучение влияния массовой доли экстрагента в растворе, соотношения между шротом и растворителем, влияние времени и температуры, степени измельчения исходного материала, гидродинамической обстановки в ёмкостном экстракторе, но не затрагивают самого механизма экстрагирования белков.
Рассмотрим общие закономерности процесса экстрагирования растительных белков. Белки экстрагируют из обезжиренных шротов растворителем, в роли которого может выступать вода, растворы солей, щелочей или кислот или какие-либо органические растворители. Тип растворителя выбирают в зависимости от фракционного состава разных видов шрота. Растворитель должен обеспечивать максимальное извлечение целевых белковых фракций, типичных для используемого сырья.
Для белков из шрота масличных семян характерно наибольшее количество глобулиновой и глютелиновой фракций при весьма
незначительном содержании проламинов. В большинстве случаев целесообразнее использовать для экстрагирования раствор щелочи, который может обеспечить максимальное извлечение основной массы белка из сырья. Если ставится такая задача, и кормовая ценность небелкового остатка не принимается во внимание, то предпочтение следует отдать растворителю щелочной природы. Но при этом не учитывается изменение химического состава белков под действием щелочи.
Нейтральные растворители (растворы солей) обеспечивают извлечение альбуминовой и глобулиновой фракции белков, оставляя глютелиновую фракцию в остатке шрота. Это позволяет использовать остатки шрота для кормовых целей, так как после экстрагирования в них остается достаточное количество нерастворимых белков. Однако выход пищевого белка уменьшается. Водные растворы некоторых солей, например, фосфатов натрия, экстрагируют из шротов гораздо меньше белка, чем раствор хлорида натрия, и степень экстрагирования при этом снижается с увеличением концентрации. Водный раствор сульфата натрия экстрагирует больше азота при низких концентрациях, чем при высоких, когда степень экстрагирования резко падает, но если рН поддерживать на уровне 7, то эффект оказывается не столь заметен. При высоких температурах сульфат натрия отрицательно влияет на растворимость белков. В случае ацетата натрия наблюдается небольшое увеличение степени экстрагирования с повышением температуры, однако водный раствор этой соли плохо растворяет белки.
Растворитель не должен существенно изменять химический состав белков. Предпочтение следует отдавать более нейтральному растворителю. Это особенно важно, если ставится задача получить изолят белка повышенной биологической ценности. Так, по методу компании «Юнивелер» белок бобов сои растворяют в подкисленном растворе (рН 5) соли (0,5 мольной доли хлористого натрия), затем осаждают и разбавляют водой. В этом случае получают изолят белка повышенной биологической ценности, поскольку процесс его производства не сопровождается разрушением части аминокислот, как это происходит в щелочных растворах белка при обычных способах получения изолятов.
Однако щелочные растворители благодаря способности извлекать максимальное количество белков широко используются при их производстве.
Основные требования, предъявляемые к растворителям, могут быть сформулированы следующим образом: максимально или оптимально извлекать белковые фракции из сырья; не видоизменять и не ухудшать белки; легко нейтрализоваться и отделяться от скоагулированного белка; легко утилизироваться.
В практике производства белковых изолятов наибольшее применение находят следующие растворители: растворы хлористого натрия (для подсолнечного, соевого изолятов), гидрооксида натрия (для подсолнечного, соевого, хлопкового изолятов), гидрооксида кальция (для хлопкового изолята) и др.
Массовую долю используемых веществ в растворителях выбирают с учетом максимального извлечения белков из шротов и одновременно оптимально допустимых снижений биологической ценности и окраски извлекаемых белков. Последнее имеет особое значение для щелочных растворителей. Для нейтральных растворителей массовая доля вещества в растворителе определяется в основном максимальным выходом продукта.
Структура экстрагируемого материала может определять полноту экстрагирования. Специальных исследований по определению оптимальной дисперсности экстрагируемого сырья при извлечении белков из обезжиренного сырья в литературе не встречается.
