Введение к работе
Актуальность исследования. Интенсификация процессов обработки и снижение потерь сырьевых ресурсов на стадии промышленного производства - важная задача развития пищевой отрасли страны.
Особенностью современного этапа развития агропромышленного комплекса России является недостаточно широкое практическое применение в пищевой промышленности технологий и процессов глубокой переработки продовольственных ресурсов. Сегодняшняя отечественная экономика, как и мировая, ориентирована на безотходные технологии, которые могут быть реализованы только за счет их научного обоснования и ускорения научно-технического прогресса соответствующей техники. В этих условиях важно находить новые пути ресурсосберегающей переработки сырья, в частности, обработки овощей и картофеля. Если раньше продукты очистки пищевых объектов от кожуры в большинстве случаев использовались не эффективно, то сегодня принципиально важно сохранить эти материалы для дальнейшей переработки.
За последние 10 лет в развитие материально-технической базы пищевых предприятий, например Санкт-Петербурга, вложены сотни миллионов рублей. Однако имеется еще большое число нерешенных вопросов, в том числе таких, как создание малоотходных и безотходных технологий, в том числе абразивных.
В теоретическом плане представляются чрезвычайно актуальными постановка и реализация задач математического моделирования реодинамических характеристик продуктов абразивной обработки пищевого сырья, процессов транспортировки и технологической переработки получаемой мезги. Действительно, при производстве группы пищевых изделий одной из важных проблем является внесение натуральных добавок (красители, витамины, наполнители, стабилизаторы, ароматизаторы и т.д.), которые необходимо в оптимальном количестве и равномерно распределять по всему объему. Повышение потребительских свойств отечественной продукции за счет внесения в нее биологически активных веществ собственного производства и вывод изделий на конкурентоспособный уровень представляется стратегической социально-экономической задачей отрасли. Сегодня на российский рынок поступает значительное количество дорогостоящих импортных пищевых добавок. В то же время можно получить дешевые аналогичные компоненты из отечественного сырья за счет более глубокой, интенсивной технологической переработки овощей, в том числе картофеля. Перспективным направлением реализации принципа безотходной технологии в пищевых производствах и изыскания дополнительной сырьевой базы является использование картофельной мезги, получаемой таким прогрессивным методом, как абразивное воздействие.
Значительная часть (от 30% до 50%) перерабатываемых сегодня клубнекорнеплодов необратимо теряется в форме продуктов очистки. В то же время кожура и клеточный сок представляют собой богатейший с биологической точки зрения материал. Дополнительные сырьевые ресурсы от использования кожуры и некондиционного картофеля, теряющихся безвозвратно, оцениваются для России при современной технологии хранения, переработки и реализации ориентировочно в 4 млн. тонн в год, что в денежном выражении составляет около 15 млн. $ ежегодно. Практическая реализация безотходных, в том числе абразивных технологий переработки картофеля, тормозится в настоящее время недостаточной разработанностью теоретических и экспериментальных исследований процессов абразивной обработки, а так же сложных, порою аномальных реологических свойств картофельной мезги, включая математическое описание особенностей гидромеханических процессов перемещения продуктов переработки в рабочих каналах аппаратов. Таким образом, выбранная тема представляется актуальной. Актуальность диссертации обусловлена так же специфичностью объекта исследования, представляющего собой двухфазную суспензию, проявляющую аномалию вязкости и особенности пограничного течения, что до настоящего времени не нашло достаточного отражения в существующей литературе.
Работа проводилась в соответствии с фундаментальной НИР кафедры ТММП ИХиБТ НИУ ИТМО по теме: «Развитие научных основ и совершенствование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств» (Государственная регистрация № 01.2.007 03504), которая относится к списку критических технологий РФ «Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания, утвержденных Президентом РФ Пр – 843 от 21 мая 2006 года.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- изучить закономерности изменения реологических свойств картофельной мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, размеров хлопьев мезги, скорости сдвига;
- осуществить математическое моделирование реологических свойств картофельной мезги;
Автор защищает:
-полученные экспериментальные зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига;
-объяснение проявляемой аномалии вязкости картофельной мезги в диапазоне скорости сдвига от 10 с-1 до 145 с-1;
-полученные данные по максимальному значению напряжений сдвига 2310 Па при течении мезги в диапазоне скоростей сдвига 0,333-1,0 с-1;
-оптимальное значение скорости сдвига 80 с-1, обеспечивающее минимальные напряжения сдвига, составившие 900-1170 Па и наименьшую энергоемкость процесса гидротранспортирования картофельной мезги;
-уравнение нестационарного режима пограничного течения мезги при ее реометрии;
-реологические уравнения течения картофельной мезги;
- полученные аналитические зависимости для профиля скоростей потока и величины расхода с учетом явления проскальзывания на стенке трубы.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является картофельная мезга как продукт абразивной очистки клубней от кожуры, который представляет собой хлопьеобразные полидисперсные макрочастицы перидермы с размерами от 0,6 до 3,0 мм, взвешенные в водной среде с долей твердой фазы 5-25% (с долей жидкой фазы 95-75% соответственно). Предмет исследования - реологические характеристики мезги и закономерности ее течения в каналах.
Методы исследования. В работе использованы поисково-системный, аналитический и экспериментальный методы исследования. Поисковый метод применен при анализе современных литературных данных. Аналитический метод использован при математическом описании процессов течения картофельной мезги в условиях проскальзывания на стенке и количественном анализе результатов реометрии. Экспериментальные исследования проводились с применением вискозиметрическоой установки "Reotest". Для количественного анализа экспериментальных данных использованы современные методы компьютерной обработки информации и математической статистики.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- выявлены реологический класс исследуемой среды, как неньютоновской жидкости (Бингамовского типа) на начальном участке, а также аномалия ее вязкости;
- дано объяснение механизма изменения реологических свойств картофельной мезги как аномально-вязкой среды;
- получены статистические характеристики параметров фракционного состава продуктов очистки клубней картофеля от кожуры;
- выявлены закономерности изменения реологических свойств мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, степени измельчения;
- осуществлено математическое описание нестационарного режима пограничного течения картофельной мезги при ее реометрии, позволившее уточнить методику проведения экспериментов;
- сформирована математическая модель процесса гидродинамического транспортирования картофельной мезги в каналах машин и аппаратов в условиях проскальзывания на стенке.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Получены зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига;
Полученные закономерности изменения структурно-механических свойств вторичного пищевого сырья позволили рассчитать и спроектировать аппарат для утилизации этого сырья с разделением на отдельные фракции и представить необходимые материалы в патентное ведомство в качестве заявки на изобретение.
Материалы исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, студентов и магистров по направлениям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий», а также 150400 «Технологические машины и оборудование», в рамках Программ «Машины и агрегаты пищевой промышленности» и «Процессы и аппараты пищевых производств».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических и научно-практических конференциях (2003-2013г.г.) профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ИХиБТ НИУ ИТМО, а также на научно-технических конференциях "Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока", посвященной 70-летию Алтайского края (Барнаул, 2007г.) и «Актуальные проблемы совершенствования торгово-технологического оборудования и повышение экономической эффективности торговых предприятий» (Санкт-Петербург, 2007г.). Кроме того, материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении дисциплин «Специальное технологическое оборудование», и «Физико – механические свойства сырья и готовой продукции».
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 печатных работах, из которых 1 патент на изобретение и 6 публикаций в рецензируемых изданиях ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 8 таблиц. Библиография включает 110 наименований отечественных и зарубежных литературных источников.
