Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших стадий технологического процесса производства яблочного сока является стадия осветления, проводимая для стабилизации продукта в течение времени хранения, улучшения его товарного вида и органолептических свойств. Соответствие международным стандартам достигается применением мембранных технологий, обеспечивающих более высокий выход, улучшение вкуса, товарного вида и пищевой ценности соков за счет отказа от консервантов и стадии тепловой стерилизации. Наряду с повышением качества, использование мембранных установок (особенно на базе современных керамических мембранных элементов со сроком службы более 10 лет) в составе технологических линий производства соков создает возможность улучшения и экономических показателей предприятий за счет упрощения состава линий и снижения энергоемкости процессов.
Одной из основных проблем, сдерживающих широкое применение мембранных установок, является их высокая стоимость, обусловленная большой площадью фильтрации. Выбор эффективных (с позиций минимизации площади фильтрации и снижения энергоемкости процесса) параметров проточных микрофильтрационных установок с керамическими мембранными элементами осложняется отсутствием научно-обоснованных методик расчета, которые учитывали бы нестационарность процесса, нелинейность реологического поведения перерабатываемых сред и позволяли осуществлять оптимальную компоновку мембранных модулей по ступеням концентрирования.
В связи с вышеизложенным исследования, ставящие целью обоснование эффективных параметров проточной микрофильтрационной установки непрерывного действия с керамическими мембранными элементами для осветления яблочного сока, являются актуальными.
Связь работы с планами научных исследований. Работа выполнена в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Разработка технологического процесса и состава технологической линии для производства высококачественного яблочного сока» и плана НИОКР ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Разработка новых энергоресурсосберегающих технологических процессов и оборудования для наномембранного разделения и концентрирования жидких сред», отвечающей приоритетным направлениям работ (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Цель работы – обоснование рациональных параметров установки непрерывного действия с керамическими мембранными элементами для осветления яблочного сока на основе моделирования гидродинамических условий проточной микрофильтрации суспензий с нелинейным реологическим поведением.
Объект исследования – проточные установки с керамическими мембранными элементами для разделения гетерогенных жидких систем.
Предмет исследования – закономерности нестационарного процесса проточной микрофильтрации суспензий с нелинейным реологическим поведением при образовании на цилиндрической фильтрующей поверхности проницаемого аксиально-подвижного осадка.
На защиту выносятся:
– математическая модель нестационарной проточной микрофильтрации суспензий с нелинейным реологическим поведением;
– методики и результаты физического и математического моделирования микрофильтрации яблочного сока через керамический мембранный элемент;
– результаты численного моделирования течения яблочного сока с полидисперсной твердой фазой в канале керамического мембранного элемента;
– методика и результаты исследования реологических свойств яблочного сока с различным содержанием растворенных и взвешенных веществ;
– методика и результаты исследования дестабилизации коллоидной системы яблочного сока методами биокатализа и прямого внесения пектолитических препаратов «Rapidase СR» и «Rapidase C-80L»;
– методика и результаты расчета проточной микрофильтрационной установки непрерывного действия для осветления яблочного сока.
Научная новизна работы:
– решена задача о ламинарном двухфазном течении в канале круглого сечения неньютоновских сред с различающейся вязкостью и реологическим поведением, описываемым степенным законом Оствальда;
– разработана компьютеризированная методика реологических испытаний и получены уравнения, описывающие зависимость эффективной вязкости яблочного сока от скорости сдвига, температуры и концентраций взвешенных и растворенных веществ;
– разработана математическая модель и программа расчета нестационарного процесса проточной микрофильтрации суспензий с нелинейным реологическим поведением, учитывающая образование и аксиальное движение проницаемого осадка по поверхности канала керамического мембранного элемента;
– разработана методика определения из эксперимента с тупиковой микрофильтрацией яблочного сока зависимости удельного сопротивления осадка от трансмембранной разности давлений;
– численным моделированием установлено, что частицы полидисперсной фазы суспензии в условиях турбулентного режима стягиваются к оси цилиндрического канала и распределяются в радиальном направлении обратно пропорционально диаметру, что предполагает при микрофильтрации сока с полидисперсной фазой формирование на поверхности каналов керамического мембранного элемента осадка из частиц наименьшего размера;
– разработана методика расчета проточной микрофильтрационной установки непрерывного действия, позволяющая установить оптимальную компоновку мембранных модулей по ступеням концентрирования и рассчитать эффективные параметры ее функционирования при осветлении яблочного сока;
– физическим и математическим моделированием установлено, что в области предельных скоростей микрофильтрации, зависимость последних от логарифма концентрации дисперсной фазы описывается линейной функцией, при этом графики для различных скоростей ретентата пересекают ось абсцисс в точке 700 кг/м3, определяющей предел концентрирования.
Методика исследований. Общая методика исследования предусматривала: установление факта низкой производительности мембранных установок при осветлении яблочного сока; разработку математической модели проточной микрофильтрации и программы для ЭВМ; создание установок, методик и определение физических характеристик яблочного сока; проверку адекватности математической модели; численный анализ проточной микрофильтрации; создание методик, установок и изучение ферментной дестабилизации коллоидной системы сока; модернизацию пилотной мембранной установки и экспериментальную отработку основных стадий процесса осветления с выпуском опытных партий продукта; разработку методики расчета и принципиальной схемы проточной мембранной установки непрерывного действия с рециркуляцией концентрируемого потока для производства осветленного яблочного сока.
Практическую значимость представляют:
– результаты теоретического и экспериментального изучения влияния на скорость микрофильтрации базовых параметров проточного процесса;
– методика расчета проточной многоступенчатой микрофильтрационной установки непрерывного действия с рециркуляцией концентрируемого потока;
– программа «Simulation CFM-Microfiltration» (свидетельство РФ № 2011616277) численного решения нестационарных задач проточной микрофильтрации суспензий с нелинейным реологическим поведением;
– технологический процесс осветления яблочного сока и принципиальные схемы проточной микрофильтрационной установки с рециркуляцией концентрируемого потока и линии осветления яблочного сока.
Реализация результатов исследований.
Принципиальная схема и состав микрофильтрационной установки, технологический процесс мембранного осветления яблочного сока приняты к внедрению в ГУП РМ «Совхоз «Мордовский» (РМ, Ардатовский р-н) и ООО «Агросоюз «Красное сельцо» (РМ, г. Рузаевка).
Лабораторный комплекс для изучения процессов осветления, пилотная мембранная установка с компьютерной системой управления, программа «Simulation CFM-Microfiltration» и методика расчета мембранных установок внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева».
Техническая документация на изготовление микрофильтрационных установок проточного типа принята к внедрению в малом инновационном предприятии ООО «ЭФФЕКТ ГАРАНТИЯ».
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2008 – 2009 г.); ХХХVI, ХХХVII, ХХХVIII и XXXIX Огаревских чтениях ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2008 – 2010 г.); ХIII, XIV, XV научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2008, 2010, 2011 г.); итоговой региональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи – будущему Мордовии» (г. Саранск, 2010 г.); VIII, IX Международных научно-практических конференциях «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2009 – 2010 г.); IV Международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2010 г.); научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Энергоэффективные технологии и средства механизации в АПК» (г. Саранск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Khurel Togoot» (г. Уланбатар, 2011 г.); на расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (2011 г.).
Диссертант является победителем программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (2010 – 2012 г.); в 2011 г. удостоен бронзовой медали XIV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед 2011» за разработку «Инновационный технологический процесс производства яблочного сока».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 2 в изданиях по «Перечню…» ВАК Минобразования и науки РФ, получено 3 свидетельства на программы для ЭВМ «Программа автоматизации исследований процессов мембранного разделения жидких сред «Membrane», «Программа автоматизации реологических исследований пищевых сред «Viscosimetry» и «Программа моделирования микрофильтрационных процессов «Simulation CFM-Microfiltration».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста, включает 69 рисунков и 15 таблиц, список литературы содержит 234 наименования.
