Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в пищевой промышленности все больше внимания оказывается очистке отработанных технологических вод, содержащих большое количество ценных веществ малой концентрации, пригодных при их выделении для повторного использования в пищевых целях, и часто являющихся, по сути, пищевыми эмульсиями.
В 2008 году предприятиями Российской Федерации было произведено около 865,4 тыс. тонн сыра и творога, что по расчетам экспертов соответствует выработке около 5,8 млн. тонн натуральной сыворотки. Такая оценка объемов отличается от показателей официальной статистики, согласно которой в настоящее время в России молочной сыворотки производится около 2,5 млн. тонн. По данным же независимых экспертов эта цифра сильно занижена с целью увеличения показателя переработки сыворотки до 50%, вместо реально имеющих место 23-25%. По расчетам Международной молочной ассоциации, из 140 млн. тонн сыворотки, получаемой в мире, до 50% сливается сточными водами в канализацию. На территории России, по экспертным оценкам, этот процент достигает 80%. Молочная сыворотка содержит значительное количество сухих веществ молока, поэтому практикуемый на сегодня повсеместный ее слив в канализацию эквивалентен ежегодной потере 1,5 млн. тонн молока.
Дополнительные потери молочных предприятий от недоиспользования ценных пищевых веществ сыворотки, оцениваются в 12-15 млрд. рублей в год. Таким образом, новое поколение технологических процессов и аппаратов призвано существенно сократить непроизводительное расходование сырья. Часть сырья теряемого при переработке содержит важные пищевые вещества, которые могут быть возвращены для повторной переработки или использования при производстве других продуктов питания. Известно, что при проведении первичной обработки сырья даже в промышленных условиях его потери составляют 12-30%. Причем такие показатели достигаются только при эксплуатации вновь установленного оборудования, что при среднем сроке эксплуатации аппаратов в пищевой промышленности 10-12 лет реализуется не более чем на 5-10% всех предприятий.
Существенная ресурсоемкость переработки пищевого сырья остро ставит проблемы сокращения его отходов и выделения из отработанной воды на основных технологических процессах вторичного сырья в виде ценных пищевых веществ, что одновременно позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Решение затронутых вопросов невозможно без проведения исследований не только по созданию новых процессов и аппаратов для переработки пищевого сырья, но и технических средств по выделению из воды технологических включений, в частности белково-липидных фракций. Этим исследованиям, затрагивающим проблемы как фундаментального, так и прикладного характера посвящены работы значительного числа отечественных и зарубежных специалистов. Задачи фундаментального характера рассмотрены в трудах Ребиндера П.А., Товбиной З.М., Кука Г.А., Масло-
ва A.M., Дытнерского Ю.И., Панфилова В.А., Лепилина В.Н., Кретова И.Т., Porter М.С., Shen J.J., Probstein R.F.
Прикладные исследования по созданию новых технологий и оборудования для пищевых производств освещены в работах ХрамцоваА.Г., Мачихина С.А., Стабникова В.Н., Борисенко И.И., Колодязной B.C., Антипова СТ., Острикова А.Н., Тишина В.Б., Лонсдейла Х.К.
Несмотря на большой объем исследований в указанной области, отсутствует системное рассмотрение вопросов сбережения ресурсов при обработке пищевого сырья, в первую очередь содержащихся в технологических водах, с учетом достижений фундаментальных и прикладных исследований.
Таким образом, рассматриваемая в настоящей работе задача совершенствования ресурсосберегающих процессов и аппаратов переработки пищевого сырья путем совершенствования баромембранного разделения пищевых эмульсий, в том числе очистки от белково-липидных фракций вод технологического происхождения на межоперационных стадиях, представляется весьма актуальной. Автор выражает признательность д.т.н. Ильичеву В.А. за обработку данных эксперимента по компьютерной томографии.
Цель и задачи исследований. Цель - работы решение задачи создания ресурсосберегающего процесса и аппарата за счет совершенствования баромембранного разделения молочной сыворотки путем интенсификации диффузионного разделения воды и содержащихся в ней белково-липидных фракций при использовании в процессе переработки пищевого сырья.
Выполненный анализ современного уровня решения поставленной задачи в производственных условиях определил морфологическую структуру ее решения в виде взаимоувязанных подзадач:
разработки и исследования теоретических основ и технических средств мембранного разделения молочной сыворотки;
разработки технологии и апробации соответствующего аппарата;
исследования режимов эксплуатации разработанного аппарата с учетом повторного использования пермеата и техобслуживания комплектующих устройств. Научные положения, выносимые на защиту:
возможность влияния на свойства молочной сыворотки постоянным магнитным полем;
эмпирическая модель нестационарного процесса фильтрования;
оптимизация режимов разделения молочной сыворотки;
конструкция аппарата для разделения молочной сыворотки.
Научная новизна исследований заключается в уточнении некоторых гидравлических принципов взаимодействия воды, отходов пищевого сырья, контактирующих с ним рабочих органов и получаемого пермеата в условиях применения широкого спектра предварительной подготовки молочной сыворотки и материалов используемых мембран. В рамках выполненных, исследований получены следующие результаты:
сформулирована задача контакта обрабатываемых отходов пищевого сырья и
материала рабочих органов, для которой методами гидравлики получены решения,
показавшие хорошую сходимость с экспериментальными данными и с известными решениями соответствующих классических задач;
для различных условий гидравлического контакта получены решения задач, на основе которых произведена оценка влияния технологических режимов на эффективность разделения воды и содержащихся в ней белково-липидных фракций;
разработаны и исследованы новый технологический процесс и аппарат для разделения воды и содержащихся в ней белково-липидных фракций, получаемых при первичной обработке пищевого сырья.
Практическая ценность результатов работы состоит в том что:
математическое описание и алгоритм решения поставленных задач, а также поставленные задачи доведены до конкретных алгоритмов и программ для ЭВМ, которые могут быть положены в основу разработки автоматизированной системы проектирования соответствующих процессов и аппаратов;
обоснована концепция разработки технологических процессов с мембранными рабочими органами на основе специальных листовых покрытий;
в результате проведенных исследований предложены, определены и обоснованы параметры аппаратов для фильтрации молочной сыворотки;
разработанное устройство апробировано, при этом экспериментальные отработки подтвердили его эффективность в снижении содержания отделяемых веществ на 15-17%.
научные результаты выполненных исследований и разработанные практические рекомендации нашли применение в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в курсе «Процессы и аппараты пищевых производств» при обучении студентов, специальности «Машины и агрегаты пищевой промышленности», а также студентов обучающихся по программам бакалавров и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международных научно-технических конференциях «Теория и практика суб- и сверхкритической флюидной обработки сельскохозяйственного сырья» в Краснодаре (2009) и «Чистая вода-2009», в Кемерово на IV научно-практическая конференция «Актуальные проблемы общей, региональной и прикладной экологии» ( 2009), на Конференции молодых ученых «Пищевые технологии» в Казани (2008) и на межвузовских и межкафедральных семинарах в Санкт-Петербурге (2008-2011). Часть результатов работы докладывалась на технических советах ООО «ЦНИИС» и ряде молокоперерабатываю-щих предприятий г.Санкт-Петербурга и Ленинградской области, где они прошли опытно-промышленную апробацию.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и заявка на полезную модель. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 112 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 16 таблиц и 7 приложений. В списке литературы 142 источника, в том числе 29 иностранные.
