Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время возрастает актуальность проблемы создание перспективных технологий и оборудования для производства высококачественных продуктов функционального назначения. В масложировой промышленности в большом количестве производится, так называемые, фосфатидные концентраты, являющиеся одним из ценных побочных продуктов, получаемых при первичной очистке растительных масел. Они широко применяются в кондитерской, хлебопекарной, комбикормовой и других отраслях промышленности.
Важным аспектом развития современной масложировой промышленности является производство фосфатидных концентратов растительных масел, снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет использования экономичных конструкций ротационно-пленочных аппаратов для вла-гоудаления из фосфолипидных эмульсий. Производство фосфатидных концентратов растительных масел в Российской Федерации 2008 г. составило 10 тыс. т, в том числе пищевых- 6 тыс. т, кормовых - 4 тыс. т. За 2009 г. выработано продукции на 12 тыс. т.
Однако, несмотря на высокие темпы роста производства фосфатидных концентратов растительных масел, уровень их потребления в РФ значительно отстает от уровня, достигнутого в развитых странах.
Технологический процесс производства фосфатидных концентратов осуществляется методом гидратации, т.е. добавления воды в масло, при этом фосфатиды коагулируют в виде хлопьев, это основано на их коллоидно-гидрофильных свойствах. Масло с гидратированными хлопьями фосфатидов центрифугируется в сепараторах или отделяется на отстойниках непрерывного действия. Полученный в результате гидратации растительных масел гидратационный (гидрофильный) осадок, имеющий высокую начальную влажность (50... 70 % к общей массе), при хранении интенсивно окисляется. Для увеличения срока хранения и улучшения качества пищевых фосфатидных концентратов из гидратационных осадков удаляет влагу до содержания влаги в нем менее 1 %.
В процессе производства фосфатидных концентратов одним из наиболее ответственных и продолжительных этапов является удаления влаги из гидратационных осадков. Выпускаемые отечественные вакуум-выпарные ротационно-пленочные аппараты для удаления влаги из фосфолипидных эмульсий растительных масел отличаются от зарубежных аналогов большей массо- и металлоемкостью, более высокими удельными энергозатратами. При этом проведение процесса не отвечает в полной мере основным его закономерностям, что не позволяет обеспечить стабилизацию термодинамических параметров - давления и температуры в аппарате, а, следовательно, получить качественные продукты.
Значительный вклад в развитие теоретических основ рафинации растительных масел и продуктов их переработки, теории выпаривания и влагоудаления из высоковязких жидких пищевых продуктов, таких как фосфатидные концентраты растительных масел, а также совершенствование конструкций аппаратов, интенсификации процессов и оптимизации технологических, конструкционных параметров внесли ученые: А. Г. Сергеев, Н. С. Арутюнян, В. А. Масликова, В. В. Кафарова, А. И. Голодовский, В. В. Белобородов, В. В. Ключкин, Б. Н. Тютюнников, А. Н. Лисицын, Е.П. Корнена, Е.П. Кошевой, И.М. Василинец,
A. Г. Сабуров, В. В. Кафаров, А. Н. Плановский, Ю. М. Тананайко,
B. М. Олевский, В. Р. Ручинский, В. И. Попов, В. Н. Стабников,
А. С. Марценюк, Г. Я. Смирнов, К. Dieter, Е. Kirschbaum, A. Bromley,
Н. L. Freese, W. В. Glover и др.
Для получения продуктов высокого качества целесообразно соблюдение научно обоснованных рациональных параметров, обеспечивающих стабилизацию температурного режима, определяемого, в частности, величиной разряжения в рабочей камере аппарата, а также проведением процесса выпаривания строго в соответствии с основными его закономерностями. Таким образом, выявление таких закономерностей для процесса удаления влаги из фосфолипидных эмульсий растительных масел - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.
Работа проводилась в соответствие с планом госбюджетной НИР кафедры «Машины и аппаратов пищевых производств (МАПП) ВГТА (№ гос. регистрации 01970008818) «Тепло- и массообмен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения», а также в рамках обобщенной проблемы «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного растительного сырья» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - научное обеспечение процесса влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел методом предварительного нагрева и выпаривания; разработка научно обоснованных рекомендаций по его совершенствованию с моделированием высокоэффективных процессов; создание перспективных конструкций вакуум-выпарных ротационно-пленочных аппаратов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:
- разработка на основании системного подхода рекомендаций по обес
печению совершенствования процесса влагоудаления из фосфолипидных
эмульсий подсолнечных масел методом предварительного нагревания с
учетом его специфических свойств;
- исследование реологических свойств фосфолипидных эмульсий
подсолнечных масел;
определение рациональных технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности аппарата и качества фосфатидных концентратов подсолнечных масел;
разработка научной концепции моделирования эффективных процессов влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел на высокоэффективной конструкции ротационно-пленочных аппаратах;
изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел (влияние начальной влажности, температуры, давления и др. на характер протекания исследуемого процесса и качество полученных фосфатидных концентратов ) и разработка на этой основе стратегии создания и реализации новых способов влагоудаления;
предложение математических моделей течения высоковязких фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел по горизонтально-цилиндрической обогреваемой стенке ротационно-плёночного аппарата;
изучение влияния основных параметров процесса на механизм формирования структуры фосфатидных концентратов подсолнечных масел; исследование показателей качества фосфатидных концентратов подсолнечных масел и оценка их потребительских свойств;
- разработка системы автоматического управления вакуум-
выпарными ротационно-пленочными аппаратами, обеспечивающие эффек
тивное использование материальных и энергетических ресурсов за счет по
вышения точности управления процессами;
- разработка перспективных конструкций вакуум-выпарных аппара
тов для реализации процесса и способов автоматического управления про
цессом для его интенсификации; проведены промышленные испытания
разработанных конструкций ротационно-пленочных аппаратов для влаго
удаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел с их технико-
экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в масложиро-
вой промышленности.
Научная концепция: развитие и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации процесса влагоудаления; создание высокоэффективных способов влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел функционального назначения с соответствующим аппаратурным оформлением на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с физическими и реологическими характеристиками исследуемого продукта; разработка системы автоматического управления процессом влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел в ротационно-пленочных аппаратах, обеспечивающей рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- разработка комплекса проблемно-ориентированных методов анали
за и принятия решений, включающего структуризацию процессов влаго
удаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел методом
предварительного нагрева и выпаривания, построение моделей и обосно
вание выбора рациональных технологических параметров;
- определение рациональных режимов процесса влагоудаления из
фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел, позволяющих достичь оп
тимального соотношения удельной производительности и качества фосфа
тидных концентратов;
обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел в ротационно-пленочных аппаратах; концептуальные подходы по интенсификации процесса выпаривания для повышения его эффективности с оценкой показателей качества продуктов; разработка способов регулирования и управления процессом влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел;
методологический подход к созданию системы автоматического управления вакуум-выпарными ротационно-пленочными аппаратами, обеспечивающие эффективное использование материальных и энергетических ресурсов.
Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания высокоэффективного процесса обезвоживания фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел, направленные на интенсификацию процесса влагоудаления, сбережение и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций вакуум-выпарных ротационно-пленочных аппаратов.
Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел методом предварительного нагрева и выпаривания (влияние начальной влажности, температуры, давления нагнетания, а также конструкции аппарата, величины разрежения в вакуум-камере и температуры термостатирования на физику исследуемого процесса и качество полученных фосфатидных концентратов подсолнечных масел). Обоснована необходимость использования выпаривания тонкослойной пленки изменяющей характера течение фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел для сохранения термолабильных веществ.
Предложены оригинальные концептуальные подходы по интенсификации процесса испарения пара из тонкослойной пленки, получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать изменение влагосодер-жания тонкослойной пленки, температуру и скорость течения тонкослой-
ной пленки фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел по длине ро-тационно-пленочного аппарата.
Предложены математические модели, описывающие теплообмен при испарении пара из тонкослойной принудительно стекающей пленки и процесс влагоудаления стекающей пленки по стенке вакуумного ротаци-онно-пленочного аппарата. Полученное уравнение скорости движения тонкослойной пленки позволяет определить влагосодержания и скорость пленки в текущем сечении при влагоудалении из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел.
Выявлены основные закономерности процесса теплоотдачи при кипении фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел в условиях принудительного движения на горизонтальной цилиндрической и конической стенке ротационно-пленочных аппаратов.
Разработаны оригинальные конструкции вакуум-выпарных ротационно-пленочных аппаратов, позволяющие решить проблему эффективного ресурсосбережения и интенсификации процесса. Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами СССР, 7 патентами Российской Федерации и 5 патентами Республики Казахстан, а также 2 свидетельствами РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования позволили разработать высокоэффективные конструкции ротационно-пленочных аппаратов для удаления влаги из фосфолипидных эмульсий растительных масел (патент РФ 99987, 2425708, 2429040). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанном способе удаления влаги из фосфолипидных эмульсий растительных масел (патент РФ 2442821).
Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процесса влагоудаления из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел методом предварительного нагрева на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
На основе предложенных математических моделей создан пакет прикладных программ, которые позволяют проводить исследования тепломас-сообменных процессов влагоудаления на ЭВМ; определять конструктивные параметры аппарата; находить оптимальные режимные параметры влагоудаления, рациональные системы автоматического управления процессом.
Для реализации ресурсосберегающих процессов влагоудаления из фосфолипидных эмульсий растительных масел разработаны конструкции ротационно-пленочных аппаратов (патент РФ 2425708, 2429040).
Предложены способы автоматического управления процессом удаления влаги из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел в коническом ротационно-пленочном аппарате с целью интенсификации процесса и получения фосфатидных концентратов подсолнечных масел высокого качества (заявка на патент РФ № 2011106703).
Проданы лицензии на патенты РФ 99987, 2429040. Разработанные конструкция цилиндрического ротационно-пленочного аппарата и способ удаления влаги из фосфолипидных эмульсий подсолнечных масел внедрены на предприятии ООО «Транс АгроПродукт». Ожидаемый экономический эффект от внедрения в производство составит 1,57 млн р. в год.
Достоверность научных разработок подтверждена результатами производственных испытаний процесса удаления влаги из фосфолипидных эмульсий растительных масел в ротационно-пленочных аппаратах ООО «Воронежмасло», ООО «Транс АгроПродукт», ООО «Русская олива».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных, научно-технических и научно-практических конференциях, симпозиумах и конгрессах: (Алматы, 2000 г., 2001 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.); (Астана, 2007 г.,
г., 2009 г.); (Москва, 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.); (Воронеж,
г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.); (Алушта, 2010 г.); (Одесса, 2010 г.); (Челябинск, 2010 г., 2011 г.); (Красноярск, 2009 г.); (Барнаул, 2009 г.); (Омск,
г.); (Самара, 2010 г.); (Пловдив, 2010 г., 2011 г.); (Казань, 2011 г.); (Санкт-Петербург, 2011 г.).
Результаты работы демонстрировались на 26-й межрегиональной специализированной выставке «Пищевая индустрия» (Воронеж, 2009 г.); II Международной выставке-конгрессе «ЕвразияБио» (Москва, 2010 г.); межрегиональном конгрессе «Агропром-2010» (Воронеж, 2010 г.); 3-й межрегиональной специализированной выставке «Инновации. Инвестиции» (Воронеж, 2010 г.); выставке «Воронежская промышленная выставка»; III Воронежском агропромышленном форуме (Воронеж, 2011 г.). Работа награждена 7 дипломами.
Публикации. По теме диссертации опубликована 101 работа, в том числе 1 монография, 18 статей в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 2 авторских свидетельства СССР, 7 патентов Российской Федерации, 5 патентов Республики Казахстан и 2 свидетельства РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 377 страницах печатного текста, включает 12 таблиц, 97 рисунков и 357 литературных источника отечественных и зарубежных авторов.
