автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса мембранного концентрирования молочных сред в аппарате с отводом поляризационного слоя

На правах рукописи

ии ■ • =

ШУШПАННИКОВ АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МОЛОЧНЫХ СРЕД В АППАРАТЕ С ОТВОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СЛОЯ

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 моя 2013

005541342

Кемерово-2013

005541342

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пшцевой промышленности»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лобасенко Борис Анатольевич

Официальные оппоненты: Сорокопуд Александр Филиппович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский

технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Машины и аппараты пищевых производств»

Бредихина Ольга Валентиновна,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Технология мясных и молочных продуктов»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» г. Кемерово

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 1400 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 ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak. ed. gov, ru/ru/dissertatiori) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пшцевой промышленности» (http://www, kemtipp. ru).

Автореферат разослан «S » ноября 2013 г.

Ученый секретарь __

диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время молочная промышленность испытывает дефицит молочного сырья, это привело к тому, что повышенным спросом стал пользоваться концентрат молочного белка. Он находит все более активное применение в производстве различной молочной и кисломолочной продукции. В отличие от использования других ингредиентов, концентрат молочного белка поддерживает натуральный вкус молока, обеспечивая требуемые вкусовые качества готового продукта.

Для выделения концентрата молочного белка используют различные методы, среди которых выделяются мембранные, в частности ультрафильтрация. Это обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами. Наиболее важным является возможность проведения процесса без воздействия высоких температур, что позволяет сохранить нативную структуру белков молока. Кроме того, положительными сторонами мембранных методов являются низкие энергозатраты и невысокие эксплуатационные расходы.

Перспективной задачей является увеличение производительности и сокращение времени протекания мембранных процессов. Одно из направлений ее решения - совершенствование существующих конструкций ультрафильтрационных аппаратов, в частности, с отводом поляризационного слоя. Это позволяет интенсифицировать процесс концентрирования молочных сред, что приводит к повышению качества продукта. В этой связи разработка и исследование мембранного оборудования, обладающего повышенной производительностью, является актуальной научной задачей.

Научной базой в этой области явились работы Дытнерского Ю.И., Кагра-манова Г.Г., Брыка М.Т., Цапюка Е.А., Чагаровского А.П., Фетисова Е.А., Хванга С-Т., Каммермейера К., Мулдера М„ Лобасенко Б.А. и ряда других ученых.

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

Объектом исследования являлась конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя.

Предметом исследования было установление закономерностей протекания процесса отвода поляризационного слоя от технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата при концентрировании обезжиренного молока.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в повышении производительности ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя при концентрировании обезжиренного молока.

Достижение цели выполнялось посредством решения следующих задач:

• разработка конструкции ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя;

• разработка математической модели процесса концентрирования обезжиренного молока с помощью теории автоматического управления;

• изучение влияния конструктивных и режимных параметров на концентрацию отводимого слоя, с целью определения их рациональных значений при переработке обезжиренного молока;

• параметрическая идентификация математической модели;

• разработка технологии производства белкового молока с использованием нового мембранного оборудования.

Научная новизна. С использованием элементов теории автоматического управления разработана математическая модель, позволяющая определять содержание задерживаемых веществ и физико-химические свойства отводимого поляризационного слоя в зависимости от значений технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Методами планирования эксперимента получены регрессионные модели, отражающие взаимосвязь содержания задерживаемых веществ в концентрате от конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Определены их рациональные значения, сочетающие наибольшее содержание задерживаемых веществ с максимально возможным количеством концентрата.

Теоретическая и практическая значимость работы. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса мембранного концентрирования разработана конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя (положительное решение о выдаче патента РФ №2012138966/20(063023) от 02.09.2013).

Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО «Анжерское молоко», которые показали ее эффективность за счет увеличения производительности при концентрировании молочного белка.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП в дипломном и курсовом проектировании.

Положения, выносимые на защиту: математическая модель процесса мембранного концентрирования; новая конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса концентрирования в ультрафильтрационном аппарате с учетом влияния конструктивных и режимных параметров.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных исследований. При выполнении экспериментальных исследований использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2012); Международной молодежной конференции «Перспективные технологии подготовки инженерных кадров: кооперация бизнеса и образова-

ния» (г. Кемерово, 2012); Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (г. Кемерово, 2012); Международной Интернет-конференции «Экология и безопасность - будущее планеты» (г. Казань, 2013); Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013); Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2013» (г. Москва, 2013); 7-ой ежегодной конференции молодых ученых и специалистов институтов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 1 положительное решение о выдаче патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 102 страницах машинописного текста. Работа включает 36 рисунков, 12 таблиц. Список литературы содержит 134 наименования. Приложения представлены на 30 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, обозначены цель и основные задачи исследований, определена научная и практическая ценность результатов, приведена общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе, в рамках литературно-патентного обзора, рассмотрены области применения процесса ультрафильтрации для переработки молочного сырья. Обозначены перспективы развития мембранного оборудования, особое внимание уделено мембранным аппаратам с отводом поляризационного слоя. Показаны особенности получения концентрата молочного белка мембранными методами, его органолептические характеристики, состав и направления использования в пищевой промышленности.

Во второй главе рассмотрены различные подходы к моделированию процессов мембранного концентрирования. Проанализированы их достоинства и недостатки.

Проведен сравнительный анализ моделей процесса мембранного концентрирования в аппаратах с отводом поляризационного слоя, разработанных на основе методов информационного (кибернетического) моделирования.

Предложена модель процесса мембранного концентрирования обезжиренного молока в ультрафильтрационном аппарате с отводом поляризационного слоя на основе передаточных функций, с возможностью расчета основных физико-химических показателей получаемого продукта.

Исходя из конструктивного описания ультрафильтрационного аппарата, в соответствии с принципом «черного ящика», выделены основные входные X и выходные У параметры объекта моделирования, а также определены каналы передачи сигналов с входов на выходы системы.

Входным воздействием является концентрация задерживаемых веществ в исходном растворе Х\, %масс. На процесс концентрирования влияют технологические, конструктивные и режимные параметры аппарата. Первые обозначены подмножеством а множества X, вторые - подмножеством (3 множества X, третьи — подмножеством у множества X. То есть множество входных контролируемых управляемых независимых переменных в данном случае может быть представлено выражением (1).

{X} =(ХЬ а|, а2, ..., а„, рь (32, ..., Рт.уь у г, ■ ■•, У О, (1)

где п - количество технологических параметров, влияющих на процесс концентрирования; т - количество конструктивных параметров аппарата, оказывающих влияние на процесс концентрирования; к - количество режимных параметров аппарата, влияющих на процесс концентрирования.

Основные технологические параметры аппарата: температура концентрируемого раствора (щ, °С), рабочее давление (а?, МПа) и скорость движения среды (аз, м/с). Количество конструктивных и режимных параметров тик соответственно зависит от конструкции ультрафильтрационного аппарата.

К выходным параметрам относятся: содержание задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое из первой области У1/1» %масс.; содержание задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое из второй области У1/2, %масс.; концентрация задерживаемых веществ в основном потоке Уг, %масс.; удельная производительность по фильтрату Уз, м3/м2 - с.

Структурная схема модели процесса концентрирования отражает взаимосвязь входных сигналов и показателей процесса посредством системы каналов, передаточные свойства каждого из которых определяются соответствующей передаточной функцией (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема процесса мембранного концентрирования в ультрафильтрационном аппарате с отводом поляризационного слоя

В модель включен компонент, позволяющий на основе эмпирических зависимостей производить расчет физико-химических показателей получаемого продукта (плотность, вязкость и др.), обозначенных подмножеством:

{Р} = (<51,.-О»), (2)

где - количество физико-химических показателей получаемого продукта.

Характер изменения входного воздействия имеет ступенчатый вид, при этом величина мгновенно возрастает от нуля до некоторого постоянного значения и далее остается неизменной. Такому воздействию соответствует функция

[0,при(к0), а0,при^>О).

х(1) =

Значение величины ступенчатого воздействия а0 выбрано исходя из величины диапазона изменения входных воздействий.

Для определения реакции системы на то или иное воздействие необходимо совместное нанесение соответствующего входного воздействия по каналам «технологический параметр - выход», или «конструктивный параметр - выход», или «режимный параметр - выход» с входным воздействием по каналу «концентрация исходного раствора - выход».

Для описания процесса было выбрано колебательное звено (4). Это объясняется периодичностью накопления белкового слоя на мембране.

к

(4)

ТУ(8) =

Т2 -Б2 + 2-Т-£-8 + 1'

где

к-Т-

- коэффициент передачи;

- постоянная времени объекта;

- коэффициент демпфирования (1>§>0).

Определение передаточных функций по каналам воздействия технологических (конструктивных, режимных) параметров на выходы системы предполагает одновременное внесение в систему воздействий по входам а, у;) и X, (рисунок 2).

X, ^

~ - _ _ ^(Э) У/Э)

аЯ.рЯ.у^)^ _ - — """

Рисунок 2 - Определение передаточных функций по каналам воздействия технологических (конструктивных, режимных) параметров на выходы системы

В соответствии с рисунком 2 можно записать:

по каналам воздействия технологических параметров

У(в) = X, (Б) ■ ^^ (в) + а, (в) • XV _у (в),

ВД-ад-Ч^ (в)

^ Л8) = -

<х,(8)

по каналам воздействия конструктивных параметров УДБ) = X, (в) • (8) + р, (в) ■ _У| (8),

ВД-ВД-ЧУ- у (8)

по каналам воздействия режимных параметров У (в) = X, (в) • (в) + X, (8) • _у (в), УД8)-Х,(8)^х,_у(8)

Л8)=-

хДй)

Итоговую модель объекта можно записать в виде (11).

У; (Б) = X, (Б) • ^х„ (в) +1 а, (в) ■ (8) + £ р, (8) • \У (8) +

¡=1 ' ¡=1

(6)

(7)

(8)

(9) (10)

(П)

Уравнение (11) определяет состояние выходов объекта моделирования во времени при известной концентрации задерживаемых веществ в исходном растворе Х^Б), а также при определенных значениях технологических а, конструктивных р и режимных у параметров процесса концентрирования.

В общем виде компонент, отвечающий за расчет физико-химических показателей, может быть описан системой функциональных зависимостей (12).

<3, =№«,); С^ад.а,);

¡Д, а,).

(12)

Параметрическая идентификация модели (11) проводится на основе экспериментальных данных в соответствии с выбранным критерием близости. По-

еле проверки адекватности модели процесса концентрирования (12) общая модель может быть реализована прикладными средствами, поддерживающими работу с передаточными функциями.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований в соответствии с предложенной методикой на лабораторном стенде, включающем разработанный ультрафильтрационный аппарат с отводом поляризационного слоя. Представленные результаты экспериментальных исследований обобщены в виде уравнений регрессии. Проведена параметрическая идентификация математической модели процесса мембранного концентрирования.

С целью повышения производительности по концентрату разработана конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя. Устройство состоит из корпуса 1 с отверстиями 6,7,8, кожухов 2,4 со штуцерами для отвода продукта 3,5. В полости корпуса находится подвижный полый шток переменной конфигурации 9. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 14 (рисунок 3). Отличительной особенностью данного аппарата является использование подвижного штока переменной конфигурации и двух кожухов. Это позволяет отводить поляризационный слой из двух областей, что повышает его количество и концентрацию. На рисунке 3 первая и вторая области отвода обозначены как I и II. Интенсивный отвод слоя в первый и второй кожухи обусловлен разностью давления в них, а также зазорах между корпусом и штоком. Величина давления зависит от местоположения штока и кожухов.

Рисунок 3 - Аппарат для мембранного концентрирования: 1-корпус; 2,4-кожухи; 3,5-штуцеры; 6,7,8-отверстия; 9-подвижный шток; 10,11,12.13-резьбы; 14-трубчатая мембрана; 1-первая область отвода; И-вторая область отвода

Экспериментальные исследования проводились в следующих направлениях:

1. Определение рациональных значений конструктивных параметров аппарата: местоположение конически расширяющейся (ДЬ) и конически сужающейся (ДЬ) части штока относительно отверстий первой и второй области отвода соответственно; удельной площади отверстий во второй области отвода (S ) на основе регрессионного анализа.

2. Определение рациональных значений режимных параметров аппарата: расхода отводимого продукта из первой (VKi) и второй области (Vk2); количества основного потока (V0.n.) на основе обработки уравнений регрессии.

Для проведения экспериментальных исследований использовались керамические мембранные фильтры КУФЭ-1 производства НПО "Керамикфильтр" на основе карбида кремния в виде трубки с наружным диаметром 10 мм, внутренним - 6 мм, длинной - 250 мм и размером пор - 0,025 мкм. В качестве сырья для проведения процесса мембранного концентрирования выбрано восстановленное обезжиренное молоко с концентрацией задерживаемых веществ 8% масс.

Экспериментальные исследования проводились при следующих технологических параметрах: температура концентрируемой среды Т=20°С, давление в канале аппарата Р= 0,15 МПа, скорость основного потока w = 0,4 м/с.

На первом этапе было изучено влияние конструктивных параметров на концентрацию задерживаемых веществ в продукте, отводимом из первой и второй области отвода (рисунок 4, 5).

о О

о о

(О га

5 5

чР чО

о4 о4

сч

О о

Рисунок 4 - Влияние местоположения конически расширяющейся и конически сужающейся части штока относительно отверстий корпуса на концентрацию отводимого продукта

1 - концентрация продукта, отводимого из 1 области (Р = 0,15 МПа, Т =

20°С, ш = 0,4 м/с);

2 - концентрация продукта, отводимого из 2 области (Р = 0,15 МПа, Т =

20°С, ш = 0,4 м/с, Д1|=-1,5 мм)

-3 -1,5 0 1,5 3 4,5

Д1,,ММ Д12,мм

см о

0.0266

0,0532

5

0,0798

0,1064

Рисунок 5 - Влияние удельной площади отверстий корпуса во второй области отвода на концентрацию отводимого поляризационного слоя (Р = 0,15 МПа,

Т = 20°С, V/ = 0,4 м/с)

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии в натуральном масштабе (13,14).

С, = 8,969 + 0,0786- (Д/, + 4,5) + 0,0062 ■ (Д/2 + 4,5) + 0,0094-5 -- 0,0085■ (А/, + 4,5)2 - 0,0007- (А/2 + 4,5)2 -0,0009- ,

С2 = 8,6143-0,0086-(Д/, +4,5)+ 0,05 74-(А/, + 4,5) + 0,0818-5+ + 0,0009- (Д/, + 4,5)2 - 0,0063- (Д/, + 4,5)2 - 0,0062- Я*.

(13)

(14)

Максимальная концентрация задерживаемых веществ достигается при следующих значениях конструктивных параметров: местоположение конически расширяющейся и конически сужающейся части штока относительно отверстий первой и второй области отвода соответственно Д1, =0,13 мм, Д12 =0 мм; удельная площадь отверстий корпуса во второй области отвода 5 =0,0758.

Второй этап исследований заключался в получении зависимости режимных параметров аппарата и концентрации задерживаемых веществ в продукте, отводимом из 1 и 2 области в виде уравнений регрессии в натуральном масштабе (15,16).

С, =9,4032+ 0,00625-Ук| -0,011-Ук2 + 0,0022-V „ -0,0007-Ук12 + + 0,0002- Ук22 - 0,0000009- V,п2,

С2 = 8,6592+ 0,0075- Ук1 - 0,0005- Ук2 + 0,0038- Уоп - 0,0003- Ук,2 --0,00045- Уй2 -0,000021-У,„2.

(15)

Экспериментальные кривые, характеризующие влияние режимных параметров аппарата на концентрацию отводимого поляризационного слоя, представлены на рисунках 6, 7.

-У|)п=!3,3 1(Г6м3/с

уо п. = 10 ю 6 ,ч3/с

У0.„.=6,6 10 6М3/С

0,16

0,25

V , 106,м3/с

К'1

Рисунок 6 - Зависимость концентрации продукта, отводимого из 1 области, от его расхода и количества основного потока (Р = 0,15 МПа, Т = 20°С, \\ = 0,4 м/с, АЬ=0,13 мм, Д12=0 мм, Д8=0,0758)

-Ук1 =0,16-10 6м3/с -УК1 =0,3310"6м3/с

-Ук1 =0,25 10 6м3/с -Ук1=0,41 ИГбм3/с

10,4

10,2

10

9,8

О 9,6 га

5 9,4

оч о

8,6 8,4

--

1 ^

0,25

0,41

0,5

V , 106,м3/с к2

Рисунок 7 - Зависимость концентрации продукта, отводимого из 2 области отвода, от суммарного расхода поляризационного слоя (Р = 0,15 МПа, Т = 20°С, лу = 0,4 м/с, Д11=0,13 мм, Д12=0 мм, Д8=0,0758)

Из уравнений найдено, что максимальные концентрации С|=10,487 % масс, и Сг= 10,251 % масс, в отводимом поляризационном слое наблюдаются при расходах УК1=0,16-10"6 м3/с и УК2=0,16-10"6 м3/с соответственно. При этом количество основного потока У0.п. составляет 13,3-10"6 м3/с. Основываясь на данных, полученных экспериментальным путем (рисунки 6, 7), было предложено увеличить расходы до значений УК1=0,33-10"6 м3/с и Ук2=0,25-10"6 м3/с, что приведет к интенсификации процесса мембранного концентрирования. Это подтверждается уравнениями 15, 16. Расчеты показывают, что суммарная концентрация снижается незначительно (не более 2%), а общее количество отводимого продукта из обеих областей возрастает на 2/3.

Концентрация задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое по сравнению с первоначальной в исходном растворе увеличилась на 28%, о чем свидетельствуют кривые на рисунке 8. Это превышает аналогичный показатель прототипа (не более 21%).

-тк— Новый аппарат —♦—Прототип

I, с

Рисунок 8 - Изменение концентрации поляризационного слоя от продолжительности при обработке обезжиренного молока на прототипе и новом оборудовании (Р = 0,15 МПа, Т = 20°С, \¥ = 0,4 м/с, АЬ=0,13 мм, Д12=0 мм, 5 =0,0758, УК1=0,33'10"6м3/с, Ук2=0,2510-6 м3/с, У0.п=13,3-10"6 м3/с)

Завершающий этап экспериментальных исследований заключался в параметрической идентификации модели (11). Полученные передаточные функции позволили реализовать математическую модель процесса концентрирования обезжиренного молока в разработанном ультрафильтрационном аппарате с отводом поляризационного слоя в среде разработки Ма1ЬАВ Я2013а средствами пакета 81тиИпк.

В результате проверки адекватности установлено, что расхождение экспериментальных данных и результатов моделирования не превышает 8%.

В четвертой главе предложена технология процесса производства белкового молока (концентрация белка 4,5 - 5%) с использованием нового мембранного оборудования. Опытно-промышленные испытания мембранной установки на основе предложенного аппарата были проведены на ООО «Анжерское молоко».

В технологическую схему включено оборудование для получения белкового концентрата. Использование концентрата в рецептуре белкового молока позволяет частично или полностью отказаться от использования сухого молока. При этом сохраняются высокие органолептические показатели и качество готового продукта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя. Существенными отличиями её, по сравнению с прототипом, являются конструктивные изменения и увеличение областей отвода. Это приводит к повышению концентрации (на 7 %) и количества отводимого поляризационного слоя (на 38%).

2. Предложена математическая модель на основе кибернетического подхода и использования элементов теории автоматического управления, которая позволяет определять концентрацию задерживаемых веществ и физико-химические показатели в зависимости от технологических, конструктивных и режимных параметров при концентрировании обезжиренного молока. Это дает возможность осуществлять контроль свойств получаемого продукта и при необходимости вносить изменения в технологические и режимные параметры. Параметрическая идентификация модели показала, что расхождение экспериментальных и теоретических данных во всем диапазоне изменения этих параметров не превышают 8%.

3. Проведены экспериментальные исследования предложенной конструкции при концентрировании обезжиренного молока. Установлена взаимосвязь концентрации отводимого поляризационного слоя от конструктивных (местоположение конически расширяющейся и конически сужающейся части штока относительно отверстий корпуса, удельной площади отверстий во второй области отвода) и режимных параметров (расходов из 1 и 2 области отвода и количества основного потока).

4. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, характеризующие взаимосвязь концентрации поляризационного слоя от конструктивных и режимных параметров, анализ которых позволил определить их рациональные значения.

5. Предложена технология процесса производства белкового молока с концентрацией белка 4,5-5% на основе использования нового мембранного оборудования.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ

1. Шушпанников, А. С. Исследование конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата при концентрировании обезжиренного молока / А. С. Шушпанников, Б.А. Лобасенко, Р.В. Котляров // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - № 3. - С. 85-89.

2. Лобасенко, Б. А. Разработка математической модели процесса мембранного концентрирования на основе методов информационного моделирования [Электронный ресурс] / Б.А. Лобасенко, А. С. Шушпанников, Р.В. Котляров // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 4. - Режим доступа: http://science-education.rU/l 10-9943.

Статьи в сборниках научных трудов, журналах, тезисы и материалы

конференций

3. Шушпанников, А. С. Разработка конструкции мембранного аппарата нового типа с целью увеличения производительности / А. С. Шушпанников // Современные наукоемкие технологии. - 2013. - № 8. - С. 243-246.

4. Тимофеев, А. Е. Аспекты мембранного концентрирования молочной сыворотки / А. Е. Тимофеев, А. С. Шушпанников // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2012. - С. 355.

5. Шушпанников, А. С. Разработка аппарата для мембранного концентрирования с целью увеличения производительности / А. С. Шушпанников, А. Е. Тимофеев, А. П. Сырцева // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2012. - С. 360-361.

6. Шушпанников, A.C. Совершенствование конструкции мембранного аппарата с целью увеличения производительности / А. С. Шушпанников // Перспективные технологии подготовки инженерных кадров: кооперация бизнеса и образования: материалы международной молодежной конференции. - Кемерово, 2012. - С. 138-140.

7. Шушпанников, А. С. Исследование ультрафильтрационного аппарата нового типа для мембранного концентрирования молочного белка / А. С. Шушпанников, A.A. Кириченко // Научный вклад молодых ученых в развитие пищевой и перерабатывающей промышленности АПК: сборник научных трудов 7-ой конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии. - Москва, 2013. - С. 220-221.

8. Шушпанников, A.C. Совершенствование конструкции мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя / A.C. Шушпанников // Инноваци-

онный конвент «Кузбасс: образование, наука, инновации». - Кемерово, 2012. -С. 257-258.

9. Шушпанников, A.C. Разработка мембранного аппарата нового типа / A.C. Шушпанников // Экология и безопасность - будущее планеты: сборник трудов I международной Интернет-конференции. - Казань, 2013. - С. 55-56.

10. Шушпанников, А. С. Разработка и исследование аппарата для мембранного фильтрования нового типа / А. С. Шушпанников, Р.В. Котляров // Международный научный форум «Пищевые инновации и биотехнологии»: сборник материалов конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Кемерово, 2013. - С. 844-848.

Авторские свидетельства и положительные решения о выдаче патентов

11. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2012138966/20(063023), МПК C1 В01 D63/06 от 03.09.2013. Аппарат для мембранного концентрирования / Б.А. Лобасенко, A.C. Шушпанников, А.Г. Семенов, Ю.Н. Захаров; заявитель и патентообладатель Б.А. Лобасенко - заявл. 11.09.2012. // М.: Роспатент, 2013.

ЛР № 020524 от 02.06.97 Подписано в печать 07.11.13. Формат 60х841Д6 Бумага офсетная. Гарнитура Times Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 133

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

ПЛД№ 44-09 от 10.10.99 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 7

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический

институт пищевой промышленности»

04201452222 На правах рукописи

ШУШПАННИКОВ АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МЕМБРАННОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МОЛОЧНЫХ СРЕД В АППАРАТЕ С ОТВОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СЛОЯ

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук Лобасенко Б.А.

Кемерово 2013

Оглавление

Введение и постановка задач исследования.........................................................4

Глава 1 Литературио-патентный обзор................................................................7

1.1 Ультрафильтрация молочного сырья: особенности процесса, направления применения....................................................................................7

1.2 Особенности получения концентрата молочного белка мембранными методами, его органолептические характеристики, состав и использование

в пищевой промышленности............................................................................12

1.3 Классификация мембранных аппаратов. Мембранные аппараты с отводом поляризационного слоя: конструкции и пути интенсификации процесса концентрирования.............................................................................17

Выводы по главе 1.................................................................................................27

Глава 2 Разработка модели процесса мембранного концентрирования..........28

2.1 Анализ математических моделей, используемых при описании мембранных процессов. Моделирование на основе кибернетического подхода................................................................................................................28

2.2 Сравнительный анализ моделей, описывающих процесс мембранного концентрирования в аппаратах с отводом поляризационного слоя, разработанных на основе кибернетического подхода....................................33

2.3 Описание объекта и методики моделирования......................................37

Выводы по главе 2.................................................................................................44

Глава 3 Разработка и исследование ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя..........................................................................45

3.1 Разработка ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя......................................................................................45

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований...................47

3.3 Определение рациональных конструктивных параметров ультрафильтрационного аппарата....................................................................50

3.4 Определение рациональных режимных параметров ультрафильтрационного аппарата....................................................................59

3.5 Параметрическая идентификация модели..............................................68

3.5.1 Определение передаточных функций по каналам воздействия исходной концентрации на концентрацию продукта на выходах системы............................................................................................................71

3.5.2 Определение передаточных функций по каналам воздействия конструктивных параметров на концентрацию задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое...............................................................73

3.5.3 Определение передаточных функций по каналам воздействия режимных параметров на концентрацию задерживаемых веществ в отводимом поляризационном слое...............................................................76

3.5.4 Моделирование динамики изменения физико-химических показателей продукта при изменении параметров процесса.....................78

3.5.5 Оценка адекватности математической модели...................................81

Выводы по главе 3.................................................................................................87

Глава 4 Использование концентрата молочного белка при производстве белкового молока...................................................................................................88

4.1 Свойства и состав белкового молока......................................................88

4.2 Разработка технологической схемы производства белкового молока с использованием нового ултрафильтрационного оборудования ..................92

Выводы по главе 4...............................................................................................100

Основные результаты и выводы работы...........................................................101

Библиография.......................................................................................................103

Приложения..........................................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность работы. В настоящее время молочная промышленность испытывает дефицит молочного сырья, это привело к тому, что повышенным спросом стал пользоваться концентрат молочного белка. Он находит всё более активное применение в производстве различной молочной и кисломолочной продукции. В отличие от использования других ингредиентов, концентрат молочного белка поддерживает натуральный вкус молока, обеспечивая требуемые вкусовые качества готового продукта.

Для выделения концентрата молочного белка используют различные методы, среди которых выделяются мембранные, в частности ультрафильтрация. Это обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами. Наиболее важным является возможность проведения процесса без воздействия высоких температур, что позволяет сохранить нативную структуру белков молока. Кроме того, положительными сторонами мембранных методов являются низкие энергозатраты и невысокие эксплуатационные расходы.

Перспективной задачей является увеличение производительности и сокращение времени протекания мембранных процессов. Одно из направлений её решения - совершенствование существующих конструкций ультрафильтрационных аппаратов, в частности, с отводом поляризационного слоя. Это позволяет интенсифицировать процесс концентрирования молочных сред, что приводит к повышению качества продукта. В этой связи разработка и исследование мембранного оборудования, обладающего повышенной производительностью, является актуальной научной задачей.

Научной базой в этой области явились работы Дытнерского Ю.И., Каграманова Г.Г., Брыка М.Т., Цапюка Е.А., Чагаровского А.П., Фетисова

Е.А., Хванга С-Т., Каммермейера К., Мулдера М., Лобасенко Б.А. и ряда других ученых.

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

Объектом исследования являлась конструкция

ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя.

Предметом исследования было установление закономерностей протекания процесса отвода поляризационного слоя от технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата при концентрировании обезжиренного молока.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в повышении производительности ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя при концентрировании обезжиренного молока.

Достижение цели выполнялось посредством решения следующих задач:

• разработка конструкции ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя;

• разработка математической модели процесса концентрирования обезжиренного молока с помощью теории автоматического управления;

• изучение влияния конструктивных и режимных параметров на концентрацию отводимого слоя, с целью определения их рациональных значений при переработке обезжиренного молока;

• параметрическая идентификация математической модели;

• разработка технологии производства белкового молока с использованием разработанного мембранного оборудования.

Научная новизна. С использованием элементов теории автоматического управления разработана математическая модель,

позволяющая определять содержание задерживаемых веществ и физико-химические свойства отводимого поляризационного слоя в зависимости от значений технологических, конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Методами планирования эксперимента получены регрессионные модели, отражающие взаимосвязь содержания задерживаемых веществ в концентрате от конструктивных и режимных параметров ультрафильтрационного аппарата. Определены их рациональные значения, сочетающие наибольшее содержание задерживаемых веществ с максимально возможным его количеством.

Теоретическая и практическая значимость работы. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса мембранного концентрирования разработана конструкция

ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя (положительное решение о выдаче патента РФ №2012138966/20(063023) от 02.09.2013).

Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО «Апжерское молоко», которые показали ее эффективность за счет увеличения производительности по концентрату молочного белка.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе па кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП в дипломном и курсовом проектировании.

Положения, выносимые на защиту: математическая модель процесса мембранного концентрирования, разработанная с использованием кибернетического подхода; новая конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом поляризационного слоя; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса концентрирования в ультрафильтрационном аппарате с учетом влияния конструктивных и режимных параметров.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

1.1 Ультрафильтрация молочного сырья: особенности процесса, направления применения

Использование фильтрационного мембранного оборудования на предприятиях молочной отрасли открывает принципиально новые возможности переработки молочного сырья, позволяя бережно обрабатывать - концентрировать или разделять компоненты молока. Среди мембранных процессов наибольший интерес у переработчиков молока вызывает процесс ультрафильтрации. Это обусловлено тем, что ультрафильтрация идеально подходит для стандартизации молока по содержанию белка - наиболее ценного компонента при производстве белковых продуктов: творога и сыра.

При ультрафильтрации большинство растворенных и некоторых нерастворепных компонентов проходит через мембрану, а крупные компоненты задерживаются. Ультрафильтрацию используют для стандартизации молока по белку при производстве сыра, творога и сухих продуктов, для производства свежего сыра, концентрирования белка и декальцинирования пермеата, снижения концентрации лактозы в молоке [13, 15].

В процессе ультрафильтрации молоко-сырье разделяется на два потока: ретентат (концентрат) - молоко, в котором сконцентрированы белковая и жировая составляющие, при этом углеводный и минеральный состав оставлены без изменений, и пермеат - водный раствор лактозы, минеральных веществ и частично небелковых азотистых соединений [46].

На рисунке 1.1 приведен пример схемы переработки молока с использованием метода ультрафильтрации.

Сливки

Обезжиренное молоко

Пермеат

Ш

Отсутствие белка

Стандартизация

• Концентрат

л актов ы

• Сукой

пермеат

• Молочные

напитки

Ретентат

Повышенное

содержание

белка

1ПГ1Г

Рисунок 1.1- Пример схемы переработки молока с использованием метода

ультрафильтрации

Направления применения ультрафильтрации в молочной промышленности приведены ниже [8, 18, 26].

Нормализация уровня белка в молоке. Ультрафильтрация исключает необходимость внесения сухого молока или других белковых добавок. Молоко, обогащенное собственным нативным белком, имеет лучший вкус и отлично подходит для производства кисломолочных продуктов.

Предварительное концентрирование молока в традиционной технологии сыроделия. Такая технологическая операция способствует оптимизации работы оборудования, увеличению выхода готового продукта за счет снижения потерь белка и сокращения количества сыворотки, позволяет компенсировать влияние сезонного колебания содержания белка в молоке.

Получение концентрата сывороточных белков (КСБ). В результате ультрафильтрационной обработки различных видов сыворотки (подсыриая, творожная, казеиновая) или пермеата после микрофильтрации молока получают 2 потока - КСБ (белковая фракция) и пермеат (безбелковая сыворотка, сухие вещества которой представлены в основном лактозой). Полученные сывороточные белки могут быть возвращены обратно в производство творога или сыра, также их можно специальным образом обработать на установке микропартикуляции. Этот вид обработки позволяет получить продукт того же состава, однако обладающий совершенно новыми технологическими свойствами, которые открывают намного больше возможностей его использования для производства творога и сыра.

Использование пермеата. Побочным продуктом ультрафильтрации обезжиренного молока является пермеат. Благодаря уникальному углеводно-минеральному составу, он идеально подходит для нормализации белка в молоке-сырье, используемом для выпуска цельномолочных и кисломолочных иагштков. При нормализации молока пермеатом снижается лишь уровень белка и жира, при этом углеводный и минеральный состав сохраняется без изменений. Молочный пермеат может быть использован и в ряде других

технологических операций. Он хорошо подходит для восстановления сухих молочных продуктов и концентрированных соков, является хорошей основой для выработки сокосодержащих и освежающих напитков с различными вкусовыми наполнителями, а также для производства лактозы и ее производных. На рынке сухих молочных продуктов сухой пермеат также востребован.

Декальцинирование. При производстве лактозы значительное внимание уделяется очистке раствора от солей кальция. Ультрафильтрация применяется в качестве основного метода для декальцинирования пермеага, предварительно подсгущенного на установке обратного осмоса или, что более предпочтительно, на нанофильтрационной установке. Фосфат кальция является нерастворимым соединением, поэтому легко удаляется в ходе ультрафильтрации, следующей за процессом термического осаждения. Эта технология гарантирует получение высококачественной лактозы с низким содержанием минеральных солей, увеличение выхода готового продукта и сокращение времени работы вакуум-выпарного оборудования. Полученный концентрат может быть очищен до отдельного продукта - натурального фосфата кальция.

Производство_свежих_ферментированных_продуктов.

Ультрафильтрация широко используется при производстве свежих сыров: цельное молоко концентрируют до 34^40 % задерживаемых веществ. В пастеризованный ретентат (концентрат) вносят закваску и сычужный фермент, затем фасуют. Процесс формирования структуры и органолептических свойств сыра происходит непосредственно в упаковке. Технология довольно проста, а выход сыра увеличивается на 20 % по сравнению с традиционным способом производства [91].

Производство мягких и сливочных сыров, творога. Включение процесса ультрафильтрации в технологии мягкого и сливочного сыра или

творога позволяет корректировать структуру, консистенцию и вкусовые качества продукта на завершающей стадии производства [12, 98].

Примеры баланса процесса ультрафильтрации молочного сырья приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Баланс процесса ультрафильтрации молочного сырья

Показатель, % Обезжиренное молоко Подсырная сыворотка Творожная сыворотка

сырье ретентат пермеат сырье ретентат пермеат | сырье ретентат пермеат

Белок 2,83 3,88 0,01 0,58 3,3 0,02 0,6 3,09 0,03

Небелковый азот 0,14 0,15 0,12 0,18 0,26 0,16 0,2 0,29 0,18

Лактоза 4,19 4,21 4,11 4,23 5 4,1 3,9 4,18 3,84

Молочная кислота 0,15 0,15 0,15 0,13 0,14 0,13 0,6 0,6 0,6

Зола 0,64 0,74 0,38 0,6 0,8 0,57 0,65 0,83 0,61

Жир 0,05 0,07 0,05 0,1 — 0,05 0,26 —

Сухие вещества 8,00 9,20 4,77 5,71 9,6 4,98 6 9,26 5,26

Процесс ультрафильтрации помогает перераспределить и оптимизировать использование сухих веществ молока-сырья в масштабах всего производства; минимизировать потери жира и белка (в т. ч. сывороточного) на этапе предобработки сырья; повысить качество творога и сыров; упростить и автоматизировать технологический процесс их производства; сократить объемы молочной сыворотки [27].

1.2 Особенности получения концентрата молочного белка мембранными методами, его органолентические характеристики, состав и использование в пищевой промышленности

Белок считается одним из основных компонентов молочных продуктов, он отвечает за вкус, а также питательность конечных товаров. От содержания белка в молочном продукте в первую очередь будет зависеть его качество, однородность и вкус. При этом для каждого направления в производстве молочных продуктов требуется определенная концентрация белка. Сам по себе молочный белок получают из обезжиренного молока после нескольких этапов, включающих концентрацию и сушку.

Как правило, молочный белок содержит в себе большое количество каппа-фракций, которые были до этого выделены из казеина. Они отвечают за структуру молочной смеси, ее однородность, и �