автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование роторно-пульсационного экстрактора для интенсификации процесса затирания при производстве пива

На правах рукописи

ПРОСИН МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО ЭКСТРАКТОРА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ЗАТИРАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ДПР 2014

Кемерово -2014

005547449

005547449

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Потапов Александр Николаевич

Хмелев Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Бийский технологический институт Алтайского государственного технологического университета им. И.И. Ползунова», заместитель директора по научной работе

Плотников Валерий Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева», доцент кафедры

«Энергосберегающие процессы в химических и нефтегазовых технологиях»

Государственное научное учреждение «Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии сельскохозяйственных наук, Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится «29» мая 2014 года в 900 ч на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

Ведущая организация:

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

ог/

2014 г.

Голуб

Ольга Валентиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности производственных процессов является одной из существенных проблем технических наук то есть одним из факторов повышения экономики, и соответственно, благосостояния России. Этого невозможно достичь без привлечения новых инновационных технологии. Поэтому внимание ученых привлечено на создание нового высокоэффективного оборудования повышающего производительность производств за счет экономии сырья, снижения энергозатрат и сокращения продолжительности изготовления конечного продукта.

В пивоваренной промышленности, интенсификация производства пива может быть достигнута за счет большего извлечения сухих веществ из солода и уменьшения времени различных стадий технологического процесса Добиться этого можно за счет использования нового современного оборудования на стадии затирания зернопродуктов. По своей сути затирание является экстракционным процессом, поэтому для его проведения следует применять высокоэффективные экстракционные установки, вместо используемых, в настоящее время заторных котлов. н '

На сегодняшний день разработано множество различных конструкций экстракторов, однако не все они обладают высоким техническим совершенством для извлечения целевых компонентов. Поэтому разработка высокоэффективных экстракторов, которые характеризуются низкими энергозатратами является актуальной научной задачей, представляющий интерес не только для пище-вои промышленности, но и для ряда других отраслей.

На наш взгляд, наиболее перспективным для использования в пивоваренном производстве являются роторно-пульсационные аппараты (РПА) Эти аппараты широко используют при проведении различных процессов, таких как гидромеханические, химические, тепло-массообменные и т. п РПА обеспечивают высокое качество получаемого продукта при низких метало- и энергозатратах. При работе РПА возникает интенсивная импульсная акустическая кавитация, переходные гидромеханические процессы, резонансные явления позволяющие интенсифицировать процессы с существенным снижением удельных затрат, что является одной из приоритетных задач развития науки и техники

Научной базой для исследований в данной области явились работы Г А Аксельруда, Г.Е. Иванец, В.М. Лысянского, С.М. Гребенюка, М. А Промтова и ряда других ученых. ^

РЗбоТа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». н

Цель работы. Интенсификация процесса затирания за счет использования лопастямиСТРУКЦИИ рОТОрн°-пУльсационного экстрактора с направляющими

Разработка новой конструкции высокоэффективного, непрерывнодейст-вугощего роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями на

основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса экстрагирования.

_ Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в настоящей работе решались следующие основные задачи:

• теоретические и экспериментальные обоснования разработанной конструкции РПА с направляющими лопастями;

• исследование процесса экстрагирования в РПА новой конструкции с применением методов физического моделирования;

• анализ новой конструкции РПА с целью нахождения рациональных конструктивных и технологических параметров получения заторов;

• разработка инженерной методики расчета РПА;

• проведение опытно-промышленных испытаний РПА новой конструк-

ции

Научная новизна. Созданы математические модели РПА новой конструкции, позволяющие прогнозировать получение конечного продукта с заданными свойствами. Экспериментально исследовано влияние основных факторов на технологические показатели конечного продукта. Получены рациональные технологические параметры работы РПА. Представлены уравнения регрессии позволяющие рассчитать значения концентрации в зависимости от основных факторов. ^

Практическая значимость и реализация. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса экстрагирования позволили разработать новую конструкцию РПА с направляющими лопастями, техническая новизна РПА защищена патентом РФ. Предложен алгоритм расчета геометрических размеров РПА с направляющими лопастями.

На защиту выносятся: исследование процесса затирания в РПА с направляющими лопастями при физическом моделировании; математическая модель РПА, разработанная с использованием регрессионного анализа, позволяющая выбрать рациональные параметры работы; результаты экспериментальных исследовании процесса экстрагирования в РПА с направляющими лопастями.

Объектом исследования являлась разработанная конструкция РПА с направляющими лопастями.

Предметом исследования являлось установление закономерностей описывающих работу РПА при рациональных режимных параметрах, влияющих на качество получаемых заторов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Всероссийская конференция студ и аспир. «Пищевые продукты и здоровье человека». Кемерово, 2009- Пищевые продукты и здоровье человека: тезисы докладов IV Всероссийской конференции студентов и аспирантов. Кемерово, 2011; Инновационные процессы в АПК-материалы III международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва, 2011; Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах- материалы

международной научно-технической интернет - конференции. Воронеж 2011-Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Кемерово, 2012- Перепек тивное развитие науки, техники и технологий: материалы П-ой Международной научно-практическои конференции. Курск, 2012; V Международная студенче" екая электроН„ая научная конференция «Студенческий научный форум» Москва, 2013; Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современный взгляд на производство продуктов здорового питания». Омск 2013; European Science and Technology: Materials of the V international research and practice conference. Munich, Germany, 2013; IV Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference Westwood, Canada, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 зарубежные публикации, 1 патент гф.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений-включает 32 рисунка, 10 таблиц. Основной текст изложен на 129 страницах машинописного текста, приложения - на 20 страницах. Список литературы включает 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования и сформулирована цель работы, представлена общая характеристика, задачи, объекты и методы исследовании.

Впервой главе проведен анализ технологической схемы производства пива. Выявлена стадия затирания, относящаяся к экстракционным процессам и обуславливающая производительность процесса получения пива

Представлены методы интенсификации процесса экстрагирования, а также факторы, влияющие на эффективность извлечения. Рассмотрены заторные аппараты, применяющиеся на пивоваренных производствах, а также типовые конструкции экстракторов.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования процесса экстрагирования. Выделено пять основных подходов, применяемых при моделировании технологических процессов пищевой промышленности-эмпирические методы; методы механики сплошных сред; вероятностные (стохастические) методы; энтропийно-информационный подход; кибернетические методы.

Для исследования и описания процесса затирания в РПА с направляющими лопастями нами были использованы регрессионный анализ и физическое моделирование, позволяющие всесторонне исследовать процесс, получить рациональные режимы обработки, рассчитать значения концентрации, учитывая характеристики материала и оценить условия осуществления массообмена на отдельных этапах работы экстракционного аппарата.

В третье» главе приведено описание лабораторно-исследовательского стенда, который включает в себя РПА и блок приборов, для регулирования и контроля режимов работы. Представлены характеристики материалов использованных в экспериментальных исследованиях. Рассмотрены вопросы аппаратурного и методического обеспечения экспериментальных исследований.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема РПА с направляющими лопастями, являющийся основным объектом исследований.

Технической новизной является установка лопастей в рабочей зоне аппарата, между статором и внутренней стенкой корпуса.

7

4'

Рисунок 1 - Роторно-пульсационный аппарат с направляющими

лопастями

Аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок 7 подаются компоненты жидкой и твердой фаз в рабочую область 13, где под действием центробежных сил материальный поток движется через зубья ротора 2 и статора 4, при этом твердое тело подвергается измельчению, истиранию и ударным нагрузкам. Затем во внешней рабочей области аппарата 12, поток прямоугольными лопастями 6, организованно направляется в нижнюю часть аппарата где за счет насосного эффекта проходит через отверстия в ступице 3 ротора.

Использование направляющих лопастей позволяет упорядочить хаотическое движение материальных потоков в зоне ограниченной зубьями статора а и внутренней поверхностью корпуса аппарата. За счет закрепленных на внутренней стенке корпуса лопастей б происходит интенсивная, направленная и многократная циркуляция потока во внутренней и внешней рабочей области аппарата, что позволяет интенсифицировать процесс и повысить качество получаемого экстракта.

При вращении ротора 2 происходит перекрывание прорезей ротора и статора вследствие чего возникают пульсации потока и кавитационные явления.

Так же в этом разделе представлены методики проведения экспериментальных исследований и расчета коэффициентов молекулярной диффузии и

массоотдачи. Численные значения последних находятся по уточненному интер-вально-безитерационному методу, основным расчетным уравнением которого при допущении, что частицы имеют шарообразную форму, является-

п=1Ип(Нп+В12-В0

-(^Ро)

ч

где г - отношение избыточных концентраций на интервале, отсчитанном от начала координат; В* - диффузионный критерий Био; ч - среднее соотношение масс жидкости вне и внутри материала; ц„ = В1*с1§ - действительные корни характеристического уравнения; Ро - критерий Фурье на интервале.

В четвертой главе представлены результаты исследования новой конструкции РПА с направляющими лопастями с целью определения их рациональных конструктивных и режимных параметров, практическое испытание разработанного конструкторского решения.

Для выявления оптимального количество лопастей для дополнительной обработки проведена серия предварительных экспериментов на плодово-ягодном сырье. На рисунке 2 представлена зависимость концентрации сухих веществ плодов черноплодной рябины от продолжительности процесса, при различном числе лопастей для дополнительной обработки. На рисунке 3 представлена зависимость мощности электродвигателя от частоты вращения ротора при различном количестве лопастей.

Рисунок 2 - Зависимость концентрации от продолжительности процесса

Максимальные значения концентрации наблюдаются при использовании и и 12-™ лопастей. Но установка 12-ти лопастей значительно повышает нагрузку на электродвигатель из-за того что они создают дополнительные вихревые потоки и флуктуации. Использование же 8-ми лопастей преобразует хаотическое движение частиц в упорядоченное и организовывает материальный поток, вследствие чего уменьшается гидравлическое сопротивление, а, следовательно, и расходуемая мощность. Поэтому для дальнейших экспериментов использовалось 8 лопастей. Для сравнения использовался РПА без лопастей

1500 1?50 2000

Частота вращения ротора, об/мин

-----—— ■ 1| к лопастей I

Рисунок 3 - Зависимость мощности от частоты вращения ротора

Для исследования процесса затирания в РПА новой конструкции произведена серия предварительных опытов по обработке заторов. Выявлено, что температуры 60 °С недостаточно для полного гидролиза крахмала, при температуре 70-80 °С после 10 минут обработки происходит полное осахаривания крахмала. Проведенные эксперименты при температуре 80 °С показали, что в результате трения температура повышается на несколько градусов, это в свою очередь создает необратимые биохимические процессы, непредусмотренные технологией обработки затора, следовательно необходимо снизить температуру на 3-4 градуса.

Изучена механика диспергирования частиц твердой фазы в РПА. Для дальнейших расчетов выявлено, что после прохождения через зубья ротора и статора преобладают частицы шарообразной формы. Их размер после диспергирования зависит от величины зазора между ротором и статором. На рисунке 4 представлена зависимость размера частиц от продолжительности обработки в аппарате без лопастей и в аппарате с 8-мыо лопастями. Характер разрушения частиц материала показывает, что диспергирование происходит на начальном этапе работы РПА и через 1-2 минуты их размер достигает минимального зна-

чения.

На рисунке 5 представлен график зависимости мощности от продолжительности процесса, в аппарате без лопастей и в аппарате с 8-мыо лопастями. В первые минуты работы аппарата наблюдается резкий скачек мощности за счет того, что материал подвергается разрушению, так как зерна солода имеют прочную клеточную структуру. Измельчение растительного материала продолжается в течение 1-2 минут, после чего мощность постепенно уменьшается и аппарат выходит в стационарный режим, т. е. основная часть материала достигла минимальных размеров. Аппарат с 8-мью лопастями для дополнительной обработки уменьшил время выхода РПА в стационарный режим. За счет направленного многократного прохождения потока через зубья ротора и статора частицы твердой фазы измельчаются быстрее, в отличие от аппарата без лопа-

стей.

Время, мин

Рисунок 4 - Зависимость размера частиц от продолжительности обработки

Время,сек

Рисунок 5 - Зависимость мощности, затрачиваемой на разрушение зерен солода, от продолжительности обработки

Для исследования процесса затирания в РПА с направляющими лопастями проведен регрессионный анализ на основе полного факторного эксперимента третьего порядка для определения зависимости концентрации С от температуры I в диапазоне 65-75 °С, частоте вращения ротора п - 1000-2000 об/мин и продолжительности обработки т - 5-15 мин. В результате получено уравнение регрессии:

С = -126,66 + 3,511 + 0,0034п + 0,845т - 0,02212 - 0,0302т2 (1) На рисунке 6 представлена поверхность отклика при температуре 70 °С. Анализ графической интерпретации показывает, что самое большое влияние на получение качественного затора оказывает температура процесса. Проведенный математический анализ позволяет установить рекомендуемые рациональные режимы обработки затора в роторно-пульсационном аппарате: время обработки - 9,5-11 мин; температура - 70-73 °С; частота вращения ротора 1600-1800 об/мин. При этих параметрах обеспечивается высокий выход сухих веществ. Эксперименты, проведенные при данных режимах, подтвердили расчетные значения концентрации полученного затора. Затраты мощности при ведении процесса с рациональными режимами были близки к минимальным.

Продолжительность обработки, мии

Частота вращения ротора, об 'мнн

Рисунок 6 - Поверхность отклика при температуре 70 °С

Оценка адекватности полученной модели основывалась на анализе остатков. Коэффициент детерминации И2 = 0,869, что свидетельствует о том что построенная регрессия объясняет более 86% разброса значений переменной относительно среднего. Проверку на адекватность данной математической модели также определяли по критерию Фишера: расчетный критерий Фишера Рр-1,743395; табличный критерий Фишера ^=1,76803. Рр < Рт, следовательно, данное уравнение адекватно описывает экспериментальные данные.

Для получения численных значений коэффициента молекулярной диффузии и масоотдачи поведена обработка данных, полученных в серии экспериментов по определению кинетики влагопоглощения экстрагента солодом, в результате которой получена зависимость влагопоглощения от температуры и продолжительности процесса, изображенная на рисунке 7.

—1=70 С —А—1=80 С !

Рисунок 7 - Кинетика влагопоглощения экстрагента солодом

Характер кривых показывает, что интенсивное поглощение наблюдается в течение первых минут процесса и продолжается длительное время, независимо от температуры процесса. Для дальнейших расчетов использовалось влагопоглощения в течение первых 15 минут процесса.

Исследование процесса диспергирования частиц солода показало что при установившемся режиме работы РПА, частицы твердой фазы измельчаются и остаются постоянного размера на протяжении всего процесса затирания. Поэтому, для дальнейших расчетов, исследование набухания частиц солода следу-

ет опустить и принять эквивалентный размер частиц постоянным и равным О,1 мм (R = const = 0,1 мм).

Предварительные исследования, показывают, что продолжительность процесса затирания РПА составляет 10-15 минут. Поэтому для расчетов коэффициента диффузии мы анализировали интервал времени не превышающий 15 минут. Кривые, необходимые для расчета коэффициентов диффузии, по изменению содержания сухих веществ в жидкой фазе при снятом внешнем диффузионном сопротивлении, в зависимости от продолжительности процесса изображены на рисунке 8. Анализ графика показывает практически линейную зависимость изменения концентрации, при этом температура эксперимента оказывает

Рисунок 8 - Кинетические кривые экстрагирования солода при снятом внешнем диффузионном сопротивлении

Зависимость изменения коэффициента диффузии солода во времени при различной температуре изображена на рисунке 9. Характер изменения кривых можно объяснить следующим образом. В начальной стадии процесса экстрагирования происходит проникновение экстрагента в поры частиц солода, а так же извлечение веществ, находящихся в непосредственном соприкосновении с экс-трагентом. В дальнейшем коэффициент диффузии постепенно повышается. Это связано с происходящими в это время процессами поглощения экстрагента и набухания. Начиная с 7-8 минуты процесса, коэффициент диффузии остается практически постоянным, до конца исследовании интервала времени.

По результатам затирания солода в РПА была получена зависимость коэффициента Био от продолжительности процесса, представленная на рисунке 10. Значения диффузионного критерия Био, характеризующего соотношение внешнего и внутреннего сопротивления массопереносу в первые 10 минут обработки плавно возрастают. Это свидетельствует о том, что гидродинамические условия проведения процесса оказывают существенное влияние на ход экстрагирования. Поэтому процесс извлечения сухих веществ из солода в РПА с первых минут экстрагирования характеризуется высокой интенсивностью. После 10 минут обработки наблюдается увеличение значений критерия Био. В этой стадии преобладает внешнедиффузионная кинетика извлечения. Концентрация в экстрагенте приближается к концентрации в порах частиц твердой фа-

зы. Далее наступает равновесное состояние и массообмен практически щается.

—♦—1=50 0 —•—1=70 С —*—1=есГсП

Рисунок 9 - Зависимость изменения коэффициента диффузии солода от продолжительности

Время, мин

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента Био от продолжительности

процесса

На рисунке 11 представлена зависимость коэффициента массоотдачи от продолжительности обработки. Коэффициент массоотдачи возрастает в течение первых 10 минут, вследствие изменения физико-механических свойств материала, извлечения сухих веществ из труднодоступных для экстрагента пор и создания условий для полного омывания экстрагентом всей поверхности частиц твердой фазы. При этом диффузионный слой на границе раздела фаз оказывает незначительное сопротивление массопередаче.

Проведенные исследования коэффициента диффузии и массоотдачи позволяют сделать вывод о том, что практически в течение всей продолжительности процесса затирания в РПА преобладает внешний массоперенос. Следовательно, на величину извлечения сухих веществ из солода большее влияние оказывает конструкция экстрактора, т.е. в РПА за счет создания активного гидродинамического режима, применения вибраций, пульсаций и кавитационных явлений. Многократное прохождение материального потока через зубья ротора и статора позволяют уменьшить размер частиц твердой фазы и увеличить поверхность ее соприкосновения с экстрагентом, тем самым повысив скорость массобмена.

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента массоотдачи от продолжительности

обработки

Проведен сравнительный анализ качественного состава сусла, полученного при помощи РПА, с суслом, полученным классическим настойным методом Качество сусла определялось по ряду показателей: прозрачность, цвет кислотность, содержание мальтозы, содержание аминного азота, таниновый показатель, содержание полифенолов. У сусла, полученного в роторно-пульсационном аппарате, наблюдаются следующие положительные тенденции-содержание аминного азота увеличилось на 17 %, содержание полифенолов уменьшилось на 68 %, содержание мальтозы возросло на 2%, содержание фракции белка А уменьшилось на 56 %, мутность снизилась на 35 % Так же присутствуют негативные факторы: таниновый показатель увеличился на 14 % цвет сусла ухудшился на 20 %. '

Исследован характер брожения сусла, полученного при помощи РПА На стадии брожения опытный образец показал себя несколько лучше контрольного. Самый значимый показатель продолжительность сбраживания (время, необ-

уХГГилДсяЯ „^Г"™ 1 % ЭКСТРЗКТа)- У °ПЫТН0Г0 °браЗЦа ЭТОТ ПОка3атель

Опытное пиво отличается чистым, полным, гармоничным вкусом и получило высокую дегустационную оценку.

В питой главе предложен алгоритм расчета геометрических размеров аппарата. Представлена разработанная аппаратурно-технологическая схема про-

затикшия Х'дГЛаШ'ЫМ °ТЛИЧИеМ К0Т°РОЙ ЯВЛЯеТСЯ ^УЩествление процесса затирания в РПА, а так же отсутствие стадии измельчения солода. Представлена дегустационная оценка пива, полученного при производственных испытаниях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

устаноппрнп^ит°СН°ВаНИИ Те°реТИЧеСКИХ и экспериментальных исследований

3аТИрШ,ИЯ ДЛЯ п™оваРе™°го производства целесообразно проводить в РПА, который сочетает в себе принципы работы центообеж-иого насоса дисмембратора, дезинтегратора, коллоидной меСиад ЦеНТр°беЖ Разработана модель процесса экстрагирования в РПА на основании методов нелинейного программирования и физического моделирована

Разработана новая конструкция РПА с направляющими лопастями техническая новизна которого защищена патентом РФ № 2397793 Продолжи' тельность процесса затирания в аппарате новой конструкции сокращается в 6 и ьолее раз без ухудшения качественных показателей конечного продукта по сравнению с аналогичным процессом в заторном аппарате. оггл4' пРовеДены исследования влияния основных параметров работы на показатели процесса затирания, в том числе: диспергирования зерен солода, затрат мощности на осуществление процесса. Получено уравнение регрессии, которое адекватно описывает процесс затирания. На основе регрессионного анализа определены рациональные технологические параметры работы П1А с направляющими лопастями, для приготовления заторов, а именно время

?800 об/мин 9'5_11 МИН; ТеМПераТура"" 70'73 °С; частота вращения ротора 16005' д. Методом физического моделирования получены численные значения коэффициентов молекулярной диффузии и массоотдачи. Их значения свидетельствуют о том, что лимитирующей стадией процесса затирания является внешнии массоперенос. Следовательно, на величину извлечения сухих веществ из солода большее влияние оказывает конструкция экстрактора. В РПА за счет создания активного гидродинамического режима, возникновение вибраций пульсации и кавитационных явлений возрастает интенсивность процесса.

6. Предложен алгоритм расчета геометрических размеров РПА новой конструкции и аппаратурно-технологическая схема производства пива исключающая стадию измельчения солода и включающая разработанный аппарат.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Помозова, В.А. Совершенствование процесса затирания при производстве пива/ В.А. Помозова, А.Н. Потапов, У.С. Потитина MB Просин//Вестник КрасГАУ.-2012.-№ 12(75).-С. 191-196.

2. Потапов, А.Н. Интенсификация процесса экстрагирования в роторно-пульсационном аппарате новой конструкции/ А. Н. Потапов М В Просин, A.M. Магилина, У.С. Потитина// Известия высших учебных заведений «11ищевая технология». -2013. -№ 1 (331). - С. 97-99.

3. Потапов, А. Н. Разработка экстракторов для системы «твердое тело -жидкость»/ А.Н. Потапов, М. В. Просин, A.M. Магилина, М.В. Понамарева// 1ехника и технология пищевых производств. - 2013. -№ 3 (30). - С. 80-85

Патент

4. Пат. № 2397793 РФ, МПК B01D 11/02 D01F 7/00 / Роторно-пульсационныи экстрактор с направляющими лопастями / Потапов А Н Светкина Е.А., Попик A.M., Просин М. В.; заявитель и патентообладатель ГОУ

!„'? ТГК™,Те/Н0Л0ГИЧеский ИНСТИТУТ пищевой промышленности» (Ru). -№ 2009126346/15; заявл. 08.07.2009; опубл. 27.08.2010, Бюл. №24

Работы, опубликованные в материалах международных конференций

Потапов, А. Н. Интенсификация процесса затирания при получении пивного сусла / А.Н. Потапов, М.В. Понамарева, М. В. Просин, П. С. Захарова// Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических

Ж^воЯЗ^^ — -

направляющ^ -трактора с

и здоровье человека: материалы Межд^паш^ оГ .п ^ ЩеВЫе ПР0ДУК™ аспирантов и молодых ученых. - ¿ЗТ™ конференции студентов,

стадии затир^Г/м^'просТм^'пГ ПР0цесс£ "РГТО<~ пива на

экстра™,тв!проиш ДП°М '1Г™Ле5"'НОе™ »»Л0.„х

«Пищевые инновав™ ' Машлша " Международный научи,.и, форум

-сл£™ ГГо'дГ /ченьГ-кГер™, 20^7 /ДТ """

научный форум «Пищевые

»»»тов. аспирантов „ „1„дых у^ГЛ^во, ?0,Т-Т

Работы, опубл|1кова||11ь|е в материалах всероссийски, „оифсрсшип

Еремеев, А. М шпик М в пЗ.иУг,1^»»'^«»«ого™а / О, матер^ыП^Всероссийской ко^ " ^емерово^^ОО^-

С.138-140. Нунции студентов и аспирантов. - Кемерово, 2011. -

твердое тело " ж"'дко^В; ПросжГмвТГ" Э~КСТРактоРов ^ системы развитие пищевой ^ерабЕ^^й п УЧНЫИ ВКЛЗД М°Л0ДЫХ Ученых в конференции молодыТ ученых Г ПРомышленнос™ АПК: материалы VII институтов Отделения Хранения С"еЦИаЛИСТ0/ научно-исследовательских

продукции Р°сссльхо!академии -^М^

Работы, опубликованные в материалах региональных конференций

16. Просин, М. В. Применение роторно-иульсационного аппарата для получения пивных заторов / М.В. Просин, М.В. Понамарева, У.С. Потитина// Кузбасс: образование, наука и инновации: материалы инновационного конвента. - Кемерово, 2012. - Том 1. - С. 214-217.

Работы, опубликованные в материалах зарубежных конференций

17. Potapov, A.N. The use of a rotary-pulsation apparatus and biocatalysts in fermentation industry / A.N. Potapov, M.V. Ponamareva, M.V. Prosin// European Science and Technology: Materials of the V international research and practice conference. - Munich, Germany, 2013. - Vol. I. - p. 462-465.

18. Potapov, A.N. Study of the rotary - pulsation extractors work / A.N. Potapov, M.V. Prosin, M.V. Ponamareva // IV Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference. -Westwood, Canada, 2013. - Vol. II. - p. 475-480.

ЛР.У» 020524 от02.06.97 Подписано в печать 27.03.14. Формат 60*84116 Бумага офсетная. Гарниту ра Times Уч.-ичд. л. 1,0. Тираж 100-жз. Заказ X» 38.

Оригинал-макет нчготовлен в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002. г. Кемерово, ул. Институтская 7

НЛДХ» 44-09 от 10.10.99 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002. г. Кемерово, ул. Институтская 7

Министерство образования Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой

промышленности»

На правах рукописи

04201458003

ПРОСИН МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО ЭКСТРАКТОРА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ЗАТИРАНИЯ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Потапов Александр Николаевич

Кемерово - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)..............................................................................................................9

1.1 Анализ технологической схемы производства пива..........................................9

1.2 Методы интенсификации экстрагирования................................................................13

1.3 Современное состояние оборудования для экстрагирования......................20

1.3.1 Конструкции заторных котлов............................................................................................20

1.3.2 Экстракторы для системы твердое тело - жидкость......................................26

Выводы по главе..........................................................................................................................................34

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В

РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ ЭКСТРАКТОРЕ................................................35

2.1 Методы моделирования процесса экстрагирования..........................................35

2.2 Регрессионный анализ...........................................................................40

2.3 Физическое моделирование процесса экстрагирования..............................45

2.3.1 Определение кинетики влагопоглощения................................................................46

2.3.2 Исследование процесса набухания и определение эквивалентного размера частиц солода............................................................................................................................47

2.3.3 Определение коэффициента диффузии..............................................................48

2.3.4 Определение коэффициента массоотдачи............................................................49

Выводы по главе..........................................................................................................................................50

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................51

3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда........................................51

3.1.1 Роторно-пульсационный аппарат................................................................................53

3.2 Характеристика материалов, использованных в

экспериментальных исследованиях............................................................................................54

3.3 Методики анализа экспериментальных данных....................................................56

3.3.1 Методика определения экстрактивных веществ..........................................57

3.3.2 Методика определения кинетики влагопоглощения, процесса набухания и определения эквивалентного размера частиц....................................57

3.3.3 Методика определения коэффициента диффузии....................................................59

3.3.4 Методика определения коэффициента массоотдачи......................................63

Выводы по главе..........................................................................................................................................67

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................................................68

4.1 Исследование работы роторно-пульсационного аппарата новой конструкции................................................................................................................................................68

4.2 Исследование процесса затирания в роторно-пульсационном аппарате..............................................................................................................................................................71

4.3 Исследование диспергирования частиц твердой фазы в роторно-пульсационном аппарате......................................................................................................................76

4.4 Получение уравнений регрессии на основе полнофакторного эксперимента..................................................................................................................................................82

4.5 Опытные данные кинетики влагопоглощения........................................................88

4.6 Эквивалентный размер частиц солода..............................................................................89

4.7 Исследование диффузионных свойств сырья............................................................89

4.7.1 Определение коэффициента диффузии......................................................................89

4.7.2 Определение коэффициента массоотдачи................................................................91

4.8 Исследование качественного состава сусла, полученного на

экспериментальной установке........................................................................................................94

Выводы по главе..........................................................................................................................................100

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ..........................................................102

5.1 Методика расчета РПА..................................................................................................................102

5.2 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства

пива............................................................................................................................................................................105

5.3 Дегустационная оценка опытного образца пива....................................................107

Выводы по главе..........................................................................................................................................115

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ........................ 116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................ 118

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 130

Приложение А. Экспериментальные данные по определению

рационального количества лопастей............................................. 131

Приложение Б. Экспериментальные данные по деспергированию

солода в РПА.......................................................................... 133

Приложение В. Расчетный лист регрессионного анализа в программе

«Excel»................................................................................. 135

Приложение Г. Поверхности отклика регрессионного анализа............ 137

Приложение Д. Экспериментальные данные кинетики

влагопоглощения..................................................................... 140

Приложение Е. Экспериментальные данные для расчета значений

коэффициента диффузии............................................................ 141

Приложение Ж. Расчетные значения критерия Био и коэффициента

массоотдачи........................................................................... 143

Приложение 3. Акт испытаний роторно-пульсационного экстрактора... 144 Приложение И. Дегустационный акт............................................ 149

ВВЕДЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности производственных процессов является одной из существенных проблем технических наук, то есть одним из факторов повышения экономики, и соответственно, благосостояния России. Этого невозможно достичь без привлечения новых инновационных технологий. Поэтому внимание ученых привлечено на создание нового высокоэффективного оборудования повышающего производительность производств за счет экономии сырья, снижения энергозатрат и сокращения продолжительности изготовления конечного продукта.

В пивоваренной промышленности, интенсификация производства пива может быть достигнута за счет большего извлечения сухих веществ из солода и уменьшения времени различных стадий технологического процесса. Добиться этого можно за счет использования нового современного оборудования на стадии затирания зернопродуктов. По своей сути затирание является экстракционным процессом, поэтому для его проведения следует применять высокоэффективные экстракционные установки, вместо используемых, в настоящее время, заторных котлов.

На сегодняшний день разработано множество различных конструкций экстракторов, однако не все они обладают высоким техническим совершенством для извлечения целевых компонентов. Поэтому разработка высокоэффективных экстракторов, которые характеризуются низкими энергозатратами, является актуальной научной задачей, представляющий интерес не только для пищевой промышленности, но и для ряда других отраслей.

На наш взгляд, наиболее перспективным для использования в пивоваренном производстве являются роторно-пульсационные аппараты (РПА). Эти аппараты широко используют при проведении различных процессов, таких как гидромеханические, химические, тепло-массообменные и т. п. РПА обеспечивают

высокое качество получаемого продукта при низких метало- и энергозатратах. При работе РПА возникает интенсивная импульсная акустическая кавитация, переходные гидромеханические процессы, резонансные явления, позволяющие интенсифицировать процессы с существенным снижением удельных затрат, что является одной из приоритетных задач развития науки и техники.

Научной базой для исследований в данной области явились работы Г.А. Аксельруда, Г.Е. Иванец, В.М. Лысянского, С.М. Гребенюка, М. А. Промтова и ряда других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

Цель работы. Интенсификация процесса затирания за счет использования новой конструкции роторно-пульсационного экстрактора с направляющими лопастями.

Разработка новой конструкции высокоэффективного,

непрерывнодействующего роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса экстрагирования.

Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в настоящей работе решались следующие основные задачи:

• теоретические и экспериментальные обоснования разработанной конструкции РПА с направляющими лопастями;

• исследование процесса экстрагирования в РПА новой конструкции с применением методов физического моделирования;

• анализ новой конструкции РПА с целью нахождения рациональных конструктивных и технологических параметров получения заторов;

• разработка инженерной методики расчета РПА;

• проведение опытно-промышленных испытаний РПА новой конструкции.

Научная новизна. Созданы математические модели РПА новой

конструкции, позволяющие прогнозировать получение конечного продукта с

заданными свойствами. Экспериментально исследовано влияние основных факторов на технологические показатели конечного продукта. Получены рациональные технологические параметры работы РПА. Представлены уравнения регрессии, позволяющие рассчитать значения концентрации в зависимости от основных факторов.

Практическая значимость и реализация. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса экстрагирования позволили разработать новую конструкцию РПА с направляющими лопастями, техническая новизна РПА защищена патентом РФ. Предложен алгоритм расчета геометрических размеров РПА с направляющими лопастями.

На защиту выносятся: исследование процесса затирания в РПА с направляющими лопастями при физическом моделировании; математическая модель РПА, разработанная с использованием регрессионного анализа, позволяющая выбрать рациональные параметры работы; результаты экспериментальных исследований процесса экстрагирования в РПА с направляющими лопастями.

Объектом исследования являлась разработанная конструкция РПА с направляющими лопастями.

Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу РПА при рациональных режимных параметрах, влияющих на качество получаемых заторов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Всероссийская конференция студ. и аспир. «Пищевые продукты и здоровье человека». Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека: тезисы докладов IV Всероссийской конференции студентов и аспирантов. Кемерово, 2011; Инновационные процессы в АПК: материалы III международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва, 2011; Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических

производствах: материалы международной научно-технической интернет -конференции. Воронеж, 2011; Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Кемерово, 2012; Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы Н-ой Международной научно-практической конференции. Курск, 2012; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013; Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современный взгляд на производство продуктов здорового питания». Омск, 2013; European Science and Technology: Materials of the V international research and practice conference. Munich, Germany, 2013; IV Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference. Westwood, Canada, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 зарубежные публикации, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 32 рисунка, 10 таблиц. Основной текст изложен на 129 страницах машинописного текста, приложения - на 20 страницах. Список литературы включает 124 наименования.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

В данной главе рассмотрены и проанализированы технологическая схема производства пива, факторы, влияющие на процесс экстрагирования, а так же конструкции экстракционных аппаратов.

1.1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПИВА

Пиво - слабоалкогольный, жаждоутоляющий, игристый напиток с характерными хмелевыми ароматами и вкусной горчинкой. Помимо воды, этилового спирта и диоксида углерода пиво так же обогащено питательными и биологически активными веществами: белки, углеводы, микроэлементы и витамины [115].

По цвету пиво подразделяют на светлое и темное, а в зависимости от вида используемых дрожжей - на пиво низового и верхового брожения [33]. Около 90% производящегося пива низового брожения приходится на светлые сорта. Его варят из светлого пивоваренного солода с добавлением несоложеных материалов (ячмень, рисовая сечка, обезжиренная кукуруза, сахар), воды, хмеля или хмелевых добавок. При изготовлении темных сортов пива применяются специальные виды солода (темные, карамельные и др.).

История пивоварения уходит корнями в незапамятные времена, благодаря археологическим исследованиям можно утверждать, что уже много тысячелетий назад древние народы из злаков диких либо специально выращенных растений получали напиток, по процессу приготовления напоминающий пиво. В процессе развития цивилизаций развивалась и технология получения этого напитка.

Применяемая в настоящее время классическая схема производства пива, представленная на рисунке 1.1, включает следующие основные этапы: приготовление солода (проращивание зерен ячменя), варка сусла, сбраживание

полученного сусла, выдержку (дображивание) молодо пива, последующую обработку и розлив пива в тару [64, 77, 115, 75]. Это сложный процесс, который длится 60—100 дней.

Очищенный и отсортированный ячмень попадает на замочку в замочный чан, откуда он перекачивается для проращивания в солодорастительный аппарат. Солод (зеленый) с помощью механического транспорта направляется в сушилку.

Из сушилки готовый солод поступает в силос для хранения и отлежки свежего солода. Ячменный солод взвешивают и отправляют на следующую стадию производства в варочный цех.

После удаления всех металлических примесей солод отмеренными порциями попадает в солододробилки. Затем дробленый солод и несоложенные материалы передаются в заторные аппараты, где происходит затирание.

Первичное сусло из заторного аппарата направляется на фильтрацию, затем в сусловарочный аппарат. Пройдя хмелеотборный аппарат, сусло охлаждают и направляют на брожение.

По окончании главного брожения зеленое пиво, охлаждается и направляется на дображивание. После дображивания пиво проходит через сепаратор, где происходит первичная фильтрация пива, а затем на фильтр — пресс для более детальной и точной очистки. Отфильтрованное пиво насыщается углекислотой через карбонизатор. Далее пиво поступает в цех розлива.

ч

г 1

_______ — Ч г" -1 » Л» Л 47 \ 1 1

/ ( \

1 ^ ¿г к

Рисунок 1.1 - Технологическая схема производства пива

1 - механический транспорт зернохранилища, 2 - весы, 3 - приемный бункер солодовенного отделения, 4 - замочный

чан, 5 - бункер для сплава (отходов), 6 - насос, 7 - солодорастительный аппарат, 8 - механический транспорт и винтовой шнек, 9 - сушилка, 10 - росткоотбойная машина, 11 - весы, 12 - накопительный бункер, 13 - силос элеватор, 14 - весы с открывающимся днищем, 15 - зерновой бункер, 16 - нория, 17, 18, 19 - накопительный бункер, 20 -магнитные ловушки, 21 - автоматические весы, 22 - солододробилки, 23 - промежуточные емкости, 24 - насос, 25 -заторные аппараты (2 шт.), 26 - насос, 27 - фильтрационный аппарат, 28 - насос, 29 - сборник воды, 30 - насос, 31-сусловарочный аппарат, 32 - насос, 33 - бункер для дробины, 34 - насос, 35 - хмелеотборный аппарат, 36 - насос, 37 -турбулентный чан, 38 - пласти�