Введение к работе
Актуальность работы. Кузбасс - богатейший угольный край, и вместе с тем один из экологически неблагоприятных регионов России. Для поддержания иммунитета жителям Кемеровской области необходимо сбалансированное питание, насыщенное необходимым количеством макро- и микроэлементов. В связи с этим возникает потребность в оборудовании для производства продуктов питания, содержащих комплекс необходимых для жизнедеятельности компонентов, в частности, аминокислот.
Ряд незаменимых аминокислот содержится в молочных и сывороточных белках, которые, находясь в растворенном состоянии, легко усваиваются организмом. Особую питательную и биологическую ценностью имеют продукты, содержащие белки в нативном виде. Поскольку белковые вещества термолабильны, для их концентрирования в настоящее время успешно применяется мембранная технология.
Концентрирование смесей мембранными методами в отличие от широко применяемых методов производится без фазовых превращений и обычно при температуре окружающей среды. Молочный белок в процессе концентрирования продукта не претерпевает изменений и сохраняет натуральную форму и, соответственно, полезные свойства, чего нельзя отнести к белковым концентратам, полученным стандартными методами. Кроме того, применяемая в мембранных методах аппаратура проще, компактнее и дешевле. Более того, мембранные методы в ряде случаев оказываются не только более экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию, т.е. существует возможность переработки вторичного сырья и отходов.
Моделирование и расчет аппаратов и установок составляют один из основных этапов внедрения технологического оборудования в производственный процесс. Простота методов моделирования и расчета сокращает время пуска технологической линии, что, в свою очередь, позволяет ускорить получение прибыли.
Большинство современных методик моделирования и расчета мембранного оборудования основаны на моделях, описывающих физические закономерности процессов, протекающих при концентрировании жидких пищевых сред. Однако, такие методики сложны. В связи с этим актуальной является разработка методики моделирования и расчета мембранного оборудования с отводом диффузионного слоя на основе передаточных функций.
Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в моделировании процесса мембранного концентрирования в модуле, предусматривающем отвод диффузионного слоя с использованием передаточных функцией разработке на этой основе рациональных схем установок.
Достижение цели выполнялось посредством решения следующих задач:
разработка методики моделирования процесса концентрирования мо
лочных сред в мембранном модуле с отводом диффузионного слоя на основе;
передаточных функций; ^
разработка и экспериментальные исследования конструкции мембранного модуля с отводом диффузионного слоя: определение влияния конструктивных параметров модуля на концентрацию диффузионного слоя и проницаемость, определение рационального технического исполнения;
разработка математических моделей процесса мембранного концентрирования молочных сред в установках периодического и непрерывного действия;
разработка комплекса математических зависимостей, реализующего методику расчета мембранного оборудования с отводом диффузионного слоя.
Научная новизна. На основе передаточных функций разработана математическая модель процесса концентрирования, которая позволяет определять содержание растворенных веществ в выходных потоках мембранного модуля в произвольный момент времени.
На основе методов оптимального планирования эксперимента получены регрессионные модели, отражающие взаимосвязь содержания растворенных веществ в концентрате от конструктивных параметров модуля. Определены их рациональные значения, обеспечивающие максимально возможное содержание растворенных веществ в продукте.
Исследовано и проведено сравнение эффективности различных схем организации процессов мембранного концентрирования на основе реализации модели средствами компьютерного моделирования, предложены рекомендации по их использованию.
Практическая значимость и реализация. Разработана конструкция мембранного модуля с отводом диффузионного слоя, новизна которой защищена патентом РФ.
Предложен математический комплекс, реализующий методику расчета мембранного оборудования с отводом диффузионного слоя.
Испытания опытно-промьпнленной мембранной установки на основе разработанного модуля, проведенные на ООО МПО «Скоморошка», показали ее эффективность за счет снижения продолжительности переработки молочных сред.
Предложены рецептуры производства сметаны 15% жирности и кисломолочных напитков с использованием концентрата обезжиренного молока и молочной сыворотки, полученного на разработанном мембранном модуле. Разработана технологическая схема производства сметаны 15% жирности резервуар-ным способом.
Автор защищает конструкцию мембранного модуля с отводом диффузионного слоя, математические модели процесса концентрирования в мембранном модуле и установках периодического и непрерывного действия, результаты экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях КемТИПП (2004-2007 г.); VIII всероссийском форуме молодых ученых и студентов «Конкурентоспособность территорий и предприятий во взаимозависимом мире» (Екатеринбург, 2005); региональной научно-практической конференции «Здо-
ровое питание - основа жизнедеятельности человека» (Красноярск, 2006); международной научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства» (Курган, 2006).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 работы, из них 1 в центральном журнале, 1 патент РФ, 4 депонированные рукописи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 119 страницах машинописного текста. Работа включает 61 рисунок, 15 таблиц. Список литературы содержит 165 наименований. Приложения представлены на 24 страницах.
