Введение к работе
Актуальность работы. Дезинтеграция (разделение целого на части) является одним из основных процессов подготовки растительного сырья к приготовлению продуктов питания. Современные подходы к образу пищевого предприятия будущего, сформулированные академиком В. А Панфиловым, предусматривают возможность гибкого реагирования на изменяющийся спрос на рынке продовольственных товаров. Требования к качеству продуктов пищевой промышленности непрерывно возрастают. Постоянно расширяется ассортимент комбинированных продуктов, обогащенных ценными натуральными пищевыми добавками. Важнейшим процессом подготовки растительного сырья к основному производству является селективная дезинтеграция. Селективно разрушенное сырье легко разделяется на фракции, содержащие различные морфологические структуры исходного материала, что позволяет затем целенаправленно использовать их в пищевых, медицинских и фармацевтических целях.
Одной из основных проблем при дезинтеграции растительного сырья является качество сыпучих смесей, получаемых в результате разрушения. Традиционная техника и технология несовершенны Как правило, многокомпонентное исходное сырье разрушают до требуемой дальнейшей технологией крупности частиц, получая сыпучий материал, содержащий различные по составу и свойствам компоненты, трудноотделимьге друг от друга доступными производству способами. Большое разнообразие объектов измельчения привело к тому, что исследователями решались частные задачи селективной дезинтеграции зерна злаковых, масличных культур и пр. Разработка единого научного подхода, а также технологии и аппаратурного оформления селективной дезинтеграции, когда согласованы способы, комбинаторность и величина нагружения с физико-механическими свойствами сырья, позволит повысить качество и эффективность процесса Исследованию свойств пищевого сырья, полуфабрикатов и продукции уделяют особое внимание. Следует отметить плодотворную работу научных школ В. А. Арета, А. В. Горбатова, В. В. Илюхина, В. Д. Косого, И. А. Рогова, развивающих методы физико-химической механики, базу которой создал П. А. Ребиндер и его соратники. В КемТИППе работу по исследованиям свойств материалов биологического происхождения, в том числе сыпучих, проводят научные школы В. Н. Иванца, Л. А Остроумова, В. М. Позняковского, А М. Попова Развитие теории селективной дезинтеграции ускорит совершенствование техники и технологии переработки как нативного сырья, так и отходов производства (жмыхов, шротов и пр.) с целью получения целевых продуктов, обогащенных белками, клетчаткой, минеральными веществами, натуральными красителями и т. д., и подготовке к основному производству масличных культур, в том числе условно безкожурных.
Цель работы заключается в создании единого методологического подхода, научном обосновании и практической реализации процесса селективной дезинтеграции растительного сырья с учетом строения и свойств перерабатываемого материала
Задачи исследований:
-
Определить рациональные способы нагружения сыпучих сред для достижения высокой эффективности процесса; на основе анализа строения растительной ткани провести классификацию объектов переработки с позиций селективной дезинтеграции.
-
Разработать математическую модель процесса селективного разрушения биком-понентной сыпучей среды Аналитически определить время разрушения единичного тела,
функции изменения прирастающих поверхностей компонентов и время протекания селективной дезинтеграции, кинетическую функцию и теоретическую производительность процесса Обосновать критерии оценки качества процесса селективной дезинтеграции.
-
Аналитически исследовать энергию связи в растительных структурах на клеточном и морфологическом уровнях с применением термодинамического метода
-
Экспериментально исследовать поверхностные свойства биополимеров растительной ткани (белков и пектинов) при различном влагосодержании
-
Исследовать влияние различных видов физического воздействия (высушивание, замораживание, характер приложения нагрузки) на прочностные свойства некоторых сибирских дикоросов.
-
Провести классификацию оборудования с позиции селективной дезинтеграции; разработать и исследовать измельчители инерционного типа; создать и испытать установку селективной дезинтеграции с одновременным пневмосепарированием; осуществить промышленную реализацию проведенных исследований; разработать методику расчета
Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии дезинтеграции материалов растительного происхождения. Применялся системный подход к изучению и описанию основных значимых факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы элементы теории случайных процессов, термодинамический метод исследований, методы математического и физического моделирования, математической статистики, планирования эксперимента, современные компьютерные технологии. Исследования проводились с применением комплекса лабораторных стендов, в условиях действующих производств с целью проверки теоретических положений работы и определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы измельчителей.
Научная концепция работы. В основу научной концепции положен подход к дезинтеграции растительного сырья как процессу преодоления адгезионной прочности как на микроуровне при поверхностном взаимодействии клеток растительной ткани, так и на уровне взаимодействия морфологических структур растений.
Научная новизна работы:
Разработана математическая модель процесса селективной дезинтеграции на основе стохастического подхода, получено решение уравнений, описывающих состояние системы, в виде зависимостей, содержащих физические величины Аналитически определены функции изменения поверхностей взаимодействующих в частицах компонентов, время протекания процесса, кинетическая селективная функция, теоретическая производительность. Предложены критерии оценки качества процесса селективной дезинтеграции.
На основе термодинамического метода исследований аналитически определена энергия поверхностной связи на уровне межклеточных взаимодействий (с применением понятия о статистическом координационном числе) и между морфологическими структурами (с применением теории Гриффица).
Экспериментально исследованы поверхносгньге свойства биополимеров с применением метода армирования приповерхностного слоя.
Экспериментально исследованы прочностные свойства связного (корень лопуха, мускатный орех) и несвязного (семена облепихи, кедра сибирского, шиповника) растительного сырья при высушивании, замораживании, различном приложении нагрузок (сжатие, сдвиг, свободный и стесненный удары) и разных скоростях деформирования.
Разработаны математические модели конусного и роликового измельчителей; при моделировании процесса разрушения слоя сыпучего материала в рабочих зонах проведено аналитическое и экспериментальное исследование, выявившее ступенчатость процесса разрушения, который по сути является линейным, а не степенным, как считалось ранее.
Исследовано влияние конструктивных, динамических параметров и скорости воздушных потоков на качество разрушения растительного сырья в установке селективной дезинтеграции с пневмосепарированием непрерывного действия.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработанные математические модели сокращают объем экспериментальной информации, необходимой для полного расчета основных характеристик процесса селективной дезинтеграции. Применение теории Гриффица упрощает расчеты процесса преодоления прочности адгезии как в нативных объектах разрушения, так и при взаимодействии перерабатываемых материалов и поверхностей рабочих органов.
Проведенные экспериментальные исследования влияния физических воздействий позволяют целенаправленно применять адгезионное разупрочнение растительных структур с целью повышения качества и интенсивности селективной дезинтеграции.
Классификация оборудования выявила перспективность измельчителей инерционного типа для селективной дезинтеграции, на основе авторских свидетельств и патентов разработаны конструкции конусного и роликового измельчителей.
Установка селективной дезинтеграции с пневмосепарированием непрерывного действия внедрена в ОАО «Тулунский мясной дюр». Инерционный роликовый измельчитель периодического действия внедрен в научно-производственном объединении «Здоровое питание» (г. Кемерово).
Результаты исследований используются в преподавании дисциплины «Физико-механические свойства сырья и продукции» для направления профессиональной подготовки 262600 - Пищевая инженерия, а также в дипломном проектировании на кафедре машин и аппаратов пищевых производств ГОУ ВПО «КемТИПП».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Всесоюзных научно-технических конференциях: «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств» (Москва, 1990), «Механика сыпучих материалов» (Одесса, 1991); IV Всесоюзной научно-технической конференции «Разработка комбинированных продуктов питания» (Кемерово 1991); Республиканской научно-технической конференции «Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающую отрасли АПК» (Киев, 1991);
Международных научно-технических конференциях: «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004), 1-м Международном форуме (6-й международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки»
(Самара, 2005), «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2005), «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2005), «Сотрудничество для решения проблем отходов» (Харьков, 2006), «Техника и технология пищевых производств» (Могилёв, 2006), «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте», (Одесса, 2007), «Современные направления теоретических и прикладных исследований», (Одесса, 2007), «Инновационные технологии переработки сельскохозяйственного сырья в обеспечении качества жизни: наука, образование и производство» (Воронеж, 2008); П Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания: материалы» (Саратов, 2008);
П Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в АПК» (Москва, 2010);
- Всероссийской научно-технической конференции: «Конкурентоспособность территорий и предприятий во взаимозависимом мире» (Екатеринбург, 2005), Всероссийском конгрессе по торговле и общественному питанию «Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании» (Кемерово, 2003);
публиковались в сборниках научных работ: «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств» (Москва, 2002), «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов» (Кемерово, 2005), «Техника и технология пищевых производств» (Кемерово, 2006), «Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности» (Кемерово, 2006,2008), сборниках научных трудов МПА (Москва 2006,2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы, в том числе 2 монографии, 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 18 авторских свидетельств на изобретение и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 268 страницах, состоит из введения, 6 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников (182 наименования) и 5 приложений.
