автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.06, диссертация на тему:Исследования в области совершенствования технологии производства изолятов пищевых соевых белков



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «МАСЛОЖИРПРОМ»

На правах рукописи

ЧЕРЕЗОВА Майя Евгеньевна

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОЛЯТОВ ПИЩЕВЫХ СОЕВЫХ БЕЛКОВ

Специальность 05.18.06 — Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

доктор технических наук профессор В. В. Белобородое кандидат технических наук доцент С. Б. Иваницкий

Ведущее предприятие: Московский технологический институ пищевой промышленности.

Защита диссертации состоится 7 июля 1992 г. в 10 часов на за седании специализированного совета Д.020.51.01 при Всесоюзно! научно-исследовательском институте жиров НПО «Масложирпром по адресу: 191119, Санкт-Петербург, ул. Черняховского, 10. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЖа.

Автореферат разослан « М.».с.сш.4 1992 г.

Ученый секретарь /

специализированного совета, '

кандидат технических наук В. Н. Григорьевг

Научный руководитель: доктор технических наук В. Н. Красильников

Официальные оппоненты:

С

^туальность_5Едбл§ш. Увеличение фонда бежа является однойнаиболее насущных и сложных задач в рамках проблемы „. обеспечения населения продовольствием. Заявленная потребность пищевых высококонцентрироважшх формах балков только для производствва продуктов массового питания составляет к 1995 г. 215 тыс.т и к 2000 г. - 240 тис.т.

Важным перспективным поправлением использования белков является промышленное производство функциональных добавок, белоксодержащих продуктов для диетического и лечебного питания. Это требует разработки эффективных экологически безопасных технологий получения высококонцентрированных белков, обладающих высокой биологической ценностью.

Существующие промышленные технологи! производства шсо-коконцентрироввнных растительных белков характеризуются: низким уровнем комплексного использования сырья; отсутствием рециклов мэаду отдельными технологическими узлами; примененном исключительно химических процессов для выделения, концентрирования и очистки белка с низкой селективностью по . отношению к основному компоненту; отсутствием уняфицировашшх методов использования побочных продуктов и типовых универсальных схем с элементами стандартизации отдельных технологическиx модулей; высоким уд9лыил1 объемом сточных вод; высокими удельными затратами энергоносителей; отсутствием возможности фракционирования белкового комплекса сырья.

Тем не менее существует большое количество публикаций и патентов, направленных на совершенствование технологии получения высоноконценгрировонных растительных белков. Поэтому разработка системного подхода к анализу имеющейся информации и ее использованию представляется актуальной задачей.

Работа проводилась в рамках Государственной научно-технической программы "Эффективные процессы производства продовольствия- по проекту № 4П - 289 -Разработать экологически безопасные автоматизированные технологии и технические средства производства пищевых высококонцентрированных белков с различными функциональными свойствами, а также биологически .ценных сопутствующих веществ путем глубокой комп-

лексной переработки растительного сырья, отходов пищевых и перерабатывающих производств".

Шль_исследовашя. Целью работы является разработка экспертной системы принятия решения для совершенствования технологии производства изолятов пищевых соевых белков с учетом предъявляемых к ней современных требований по выходу и качэ^_ ству продукта, по экологической—чистоте производства; и отдельных процессов этой технологии, в частности процесса экстракции, с использованием методов математического моделирования.

0сновные_зазачи_исследований:

- произвести анализ научно-технической и патентной литературы с целью определения тенденций совершенствования технологии производства изолятов белка из соевых шротов и создания базы знаний экспертной системы; получить экспертные оценки различных технологий производства белковых изолятов из соевых шротов-, произвести статистическую обработку экспертных оценок с целью определения согласованности мнений экспертов и определения среднего значения оценок с учетом компетентности каждого из экспертов-,

- разработать систему принятия решений для анализа реализованных и синтеза новых технологических схем на основе использования наличной информации и экспертных знаний; разработать программу для ЭВМ функционирования экспертной системы; произвести апробацию системы принятия решений и осуществить отбор перспективных технологий, полученных с помощью системы принятия решений;

- исследовать процесс экстракции белка из шрота для выбранного варианта технологии; составить физико-химическое описание процесса экстракции; составить математическое описание процесса экстракции в форме, адаптированной для инженерных расчетов; произвести апробацию расчетной модели; определить на основе математической модели процесса экстракт« оптимальные технологические режимы его проведения и определить рациональную схему движения потоков в аппарате. .

Н§2чнаа_швизна. Разработана система принятия решений для анализа и синтеза технологических схем производства белковых изолятов их соевых шротов.

Получены варианты технологических схем произодства белковых изолятов из соевых шротов, удовлетворяющие заданным требованиям по выходу белка, содержанию белка в готовом продукте, по качеству белка (высокая биологическая ценность), по экологической чистоте производства, по потреблению воды и энергоресурсов на основе использования разработанной системы принятия решений.

Исследован механизм процесса экстракции белка из соевого шрота водным раствором щелочи.

Разработана математическая модель процессса экстракции белка из соевого шрота в форме, адаптированной для инженерных расчетов, на ее основе подобраны оптимальные технологические режимы процесса экстракции, проведено сравнение прямоточного и противоточного способов организации потоков в аппарате. Расчетная модель была использована при расчете узла экстракции экспериментальной установки производительностью 30 т/сут.

Пр§ктическ§я_цешюсть^^

Разработана и реализована на ЭВМ система принятия решений для анализа и синтеза технологических схем производства изолятов белка из соевых шротов.

Получены варианты рациональных технологических схем производства изолятов белка из соевых шротов.

Исследован механизм процесса экстракции белка, разработана и реализована на ЭВМ детерминированная математическая модель процесса, адаптированная для инженерных расчетов, определены оптимальные технологические режимы проведения данного процесса и проведено сравнение схем организации движения потоков в аппарате (прямоточной и противоточной)..

Разработан пакет программ, включающий программу расчета коэффициентов компетентности экспертов: программу для декомпозиционного анализа влияния способов реализаций отдельных

стадий на значония критериев оцинки всей технологии; программу функционирования экспертной системы для синтеза рациональной структуры технологической схемы производства изолятов соевого белка-, программу расчета процесса экстракции Сэлка из крота раствором щелочи.

Результаты работы были использованы при разработке следующей нормативно-тезшыадкой—дакумвнгацготт технических требований на экстрактор, исходных требований на "Линию для производства изолятов пищевых соевых белков, в том числе модифицированных, производительностью 30 т/сут.-.

Новпзна_тех11ОТ9ских_решеииЯ. Подана заявка на патент.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции молодых специалистов масложировой проммшлонности "Новые исследвония молодых ученых и специалистов в области масложировой промышленности- г. С-Паторбург, май 1991 г.

на I Всесоюзной конференции "Экстракция органических соединений" г. Воронеж, июнь 1У89 г. '

на Всесоюзной конференции -Достижения биотехнологии -агропромышленному комплексу г. Черновцы, октябрь 1991 г.

« на Всесоюзной конфэреноди "Научное обеспечение хранения и переработки растительного сырья в гапцевой промышленности ■• г. Москва, октябрь 1991 г.

на секциях ученого совета.НПО -Масложирпром", 1983 г. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работа.

Находится в печати 3 статьи, подана I заявка на патент. Огрук'гц?а_п_.д£ьом_рабо;га. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав , выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа содержит 22 рисунка, 16 таблиц. Описок использованной литературы включает 157 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, ее научное и практическое значение.

I. Аналитический обзор. ■

Рассмотрены различные способы производства изолированных белков из растительного сырья и на основе их анализа сформулированы основные критерии, по которым возможно их совершенствование. Показано, что основными направлениями совершенствования технологий являются оптимизация технологических режимов, оптимизация аппаратурного оформления процессов, оптимизация выбора способов осуществления отдельных стадий технологического процесса. Показаны достоинства и недостатки каждого из перечисленных выше направлений и выбрано направление, позволяющее оптимизировать структуру технологических схем по сформулированным в ходе анализа технологий критериям их оценки. Показана необходимость выработки принципов классификации различных процессов, входящих в состав технологий производства изолятов белка сои, и способов их формализации для того, чтобы систематизировать материал и составить общий методологический подход к решению задачи совершенствования технологии по выбранному направлению.

Рассмотрены основные подходы к созданию промышленных технологий, такие как эмпирический подход; подход, основанный на использовании математических моделей отдельных стадий и всего технологического процесса в целом; подход, основанный на применении методов автоматического экспертного оценивания. На основе их анализа и анализа поставленной задачи, с учетом того, что исследуемый объект представляет собой сложную динамическую систему, выбран подход, основанный на применении методов экспертного оценивания, в частности с использованием экспертных систем принятия решений. Рассмотрены основные принципы создания систем принятия решений. Рассмотрены способы создания информационных баз систем принятия решений, в частности способ, предусматривающий использование знаний

коллектива экспертов. Рассмотрены способы получения и статистической обработки экспертных знаний.

Рассмотрены подхода к математическому описанию процесса экстракции белка из соевых шротов. Отмечены достоинства и недостатки стохастического и детерминистического подходов. Показано, что не существует детерминистического математического ОГТТТ™И!*д тгрпчпппп щ.ц.чрн»^ иа.цгп г.пррНГ ГГр/тту-ш [

адекватно описывающего все изменения, происходящие с объектом в ходе процесса.

В результате анализа литературных данных сформулированы цели и задачи исследований, намечет основные пути к их выполнению.

2. Организация эксперимента. Материалы и методы исследований.

Экспериментальные исследования проводились в отделе производства пищевых растительных белков и биотехнологии НПО "Мосложирпром", на кафедре физики ЛТИХП, во ВНИИ Информатики АН СССР, на Черновицком экспериментальном заводе белковых веществ.

При организации эксперимента использована методология системного подхода к изучаемой проблеме, предусматривающая многоуровневость решения. На первом уровне создается рациональная структурная технологическая схема процесса. На втором уровне детализируется описание его отдельных технологических стадий. На третьем уровне уточняются технологические режимы процессов.

Эксперимент состоял из следующих этапов:

1. Машинный эксперимент для апробации разработанной ЭС и выбора вариантов структуры технологической схемы производства изолятов белка из соевого шрота.

2. Исследование кинетического механизма экстрагирования белка из соевого шрота.

Объекты исследований.

Объектами исследований являлись:

.- Знания, полученные от экспертов и включенные в базу знаний экспертной системы-,

- соевый шрот, полученный по традиционной технологии;

Характеристика объектов.

Знания представляли собой систему состоящую из: семидесяти двух элементов (где элемент - любой технологический процесс или прием), сгруппированных по функциональным признакам в двенадцать функциональных множеств; описаний пятидесяти технологических схем, включая оценки, выставленные схемам экспертами-, пятнадцати правил комплектации схем при их синтезе.

Соевый гарот имел влажность 8.2%. Фракционный состав белкового комплекса шрота приведен в табл. I.

Таблица I.

Содержание белка в ыротэ.

Наименование Содержание,Ж

Содержание сырого протеина 53.9

на а.с.в.

в т.ч.

- водорастворимый протеин 29.7

- солерастворимый протеин 29.0 -

- щелочерастворимый протеин 58.0

Описание экспериментальных установок.

Экспертная система реализована на ПЭВМ типа АВМ РС/ АТ.

Для определения кинетики изменения содержания белка в экстракте использовалась емкость с мешалкой. Температура регулировалась при помощи контактного термометра. Для определения скорости перемешивания использовалась мешалка с регулируемой скоростью вращения.

- в -

Для определения коэффициентов диффузии белка в жидкости | использовалась установка, работающая по методу корреляционной спектроскопии, состоящая из лазера, освещающего рассеивающую среду: оптической системы, формирующей освещающий и рассеяний пучки света; спектрального прибора, в качестве которого применяется восьмидесятиканальный однобитовый цифровой коррелятор фотонов и микрозш пля обработки дпттнит--

Метода исследования.

Определение рН водных растворов электролитов по стандартной методике.

Определение содержания общего азота, содержания белкового и небелкового азота и фракционного состава белковых веществ по растворимости в различных растворителях осуществлялось по методу Кьельдаля.

Определение коэффициентов набухания соевого шрота обменным методом и методом визуального наблюдения под микроскопом.

Определение коэффициента диффузии белка в растворе методом корвляционной спектроскопии.

Определение коэффициентов компетентности экспертов по оригинальной методике, основанной на том, что коэффициент компетентности вычисляется по результатам обобщенной оценки объектов, данной каждым экспертом. Компетентность эксперта оценивается по степени согласованности его обсбщвнтх оценок объекта с групповой обобщенной оценкой объекта.

статистическая обработка результатов экспортного опроса методами прикладного регрессионного анализа.

Схема постановки эксперимента по исследованию экстрагирования белков из соевого шрота.

Влияние отдельных параметров на вид кинетических кривых набухания и на изменение содержания белка в экстракте исследовалось с помощью пассивного эксперимента т.е. варьировался только один параметр при постоянных остальных. Диапазон варьирования исследованных параметров представлен в табл. ?..

Таблица 2.

Диапазон варьирования технологических параметров при экстрагировании белка из соевого шрота.

рн сре да Температура, Т,°С Соотношение шрот: экстрагент, Н, кг/м3 Скорость перемешивания, об/мин Размер частиц шрота

сход сита, мм проход сита мм

Диапазон варьирования

- 0.25

3-9 22-50 1:33-1:125 23-3000 0.25 0.4

0.4 0.56

0.7 0.8

0.8 1.25

3. Разработка экспертной системы (ЭО) принятия решений.

Разработка ЭС включала несколько этапов: > I. Разработка общей концепции создания ЭС. Формулирование теоретических подоконий, определение состава я структура ЭО.

2. Создание информационной базы ЭС. Состав работ по в созданию приведен на рис. г.

3. Разработка алгоритма функционирования ЭС.

4. Создениэ программы для ЭВМ.

Б. Апробация ЭС.

6. ОСсуздешго результатов работы ЭС.

Структура экспертной системы.

Разработанная экспертная система содержит следующие основные Олега:

1. База знаний.

2. Интерпретатор правил.

3. Генератор гкпотоз.

б. Интерфейс пользователя.

В состав базы знаний входят:

- набор функциональных множеств;

- описания технологических, схем;

- правила комплектации схем при их синтезе.

Интерпретатор правил осуществляет выбор и примэнаниа_ре—

ЛДГУ^ТТ! ПрГ№НЛПт-1К ■НГЧЖШЧП ■ к ланн^й гитуппии.

Генератор гипотез на основе анализа имеющихся описаний технологических схем выдвигает гипотезы в форме решающих правил и использует их при синтезе схем.

Синтезатор технологии последовательно синтезирует описание технологии из элементов, имеодихся в базе знаний.

Интерфейс пользователя осуществляет оперативный обмен информацией с экспертной системой через систему графических меню.

Характеристика алгоритма функционирования ЭС.

Постановка задачи формулировалась следующим образом: определить состав технологической схемы, обладающей следующими свойствами: I. схема должна Сыть допустимой 2. вероятность достижения предъявляемых к ней требований должна быть не ниже наперед заданного значения.

Алгоритм функционирования ЭС включает алгоритм распознавания оценок схем и алгоритм синтеза технологических схем.

Метод распознавания оценок заключается в последовательном переборе всех пар <и > элементов, содержащихся хотя бы в одном из описаний схем, и вычислении для каждой из пар условной вероятности Р.^ выполнения каждого из заданных требований. Вероятность истинности гипотезы о выполнении к-го требования для синтезируемой схемы в определяется в соответствии с правилом БоЯеса. Алгоритм распознавания выполнения комплекса требований для схемы в строится по принципу -голосования" или коллективного решения. В данном случае под принципом -голосования- понимается следующее:

Исходными доншми для оценки варианта служит вон тор

частных оценок, например, вектор Р условных вероятностей Рк выполнения частных требований к синтезируемой схеме Р = {Рг . . . Рк }.

Кроме того, имеется коллектив решающих правил о, представляющий собой некое подмножество глобального множества о возможных решающих правил аА :

оси

Каждое решающее правило способно определить класс ситуации С1.

Если возникает необходимость получить некоторую комбинированную оценку ситуации с учетом компетентности всех решающих правил, используется функция голосования:

Си. = е ( Схт . . . С1 )

1 Л

где С^ ; ^ о р ; <1 € о

Функция Б (С ...С) в классической двухуровневой процедуре выглядит еле душим образом:

1=1

где ^ - значение весовой функции

'I, если ь (Р) £ ь

г тгп

— О, если Ь. (Р> ^ Ь .

1 тгп

Данная запись означает, что значение весовой функции /-^(Р) зависит от того, принадлежит ситуация к так называемой области компетентности 1-го решающего правила или нет. Принадлежность ситуации к области компетентности 1-го решающего правила определяется превышением функции компетентности ь1(Р) над критическим уровнем ьщ;1п. Значение Ьт:1п определяется из соображений статистической достоверности. Таким образом, в

и

каждом конкретном решении принимают участие только те правила из области п, которые компетентны в исследуемом случае.

Тогда оценка вероятности принадлежности схемы б к

требуемому классу имеет вид:

____------

где Е- функция голосования

Данная формула имеет смысл только для допустимых схем.

Алгоритм синтеза технологических схем реализуется путем последовательного добавления элементов к списку. Исходным состоянием списка является пустой список. Переход от исходного состояния в конечное (т.е. к списку, являющемуся решением задачи) осуществляется путем последовательного выбора элементов из глобального множества и добавлением их к списку. При этом, если на какой-либо стадии синтеза дальнейшее добавление невозможно из соображений допустимости схемы происходит возврат на шаг назад и выполняется добавление другого элемента. Таким образом осуществляется классический механизм поиска на дереве вариантов.

Очевидно, что если элементы на каждом шаге будут выбираться случайным образом, то возможно следующее:

1. Достаточно велика вероятность получения терминальных состояний, не являющихся решением. Это вызывает необходимость возврата.

2. Необходимый объем перебора вариантов при достаточно большом количестве элементов может стать настолько большим, что поиск решения за разумное время окажется невозможным.

Поэтому, для того, чтобы повысить вероятность успеаного решения при ограниченном объеме перебора был разработан эвристический механизм выбора элементов, в котором каадому элементу из глобального множества приписывалась оценка перспективности его добавления к текущему списку:

Est = A * P. + В * FiLiat.l),

1

где PA-

условная вероятность выполнения требований к схеме в случае включения

1-го элемента глобального множества в список

List., i)

1, если 1-ый элемент входит в какой-либо из списков обязательных для включения элементов

О, в противном случае

А, В - числовые коэффициенты, причем А << В

Механизм синтеза технологических схем является следующим. Допустим, что достигнуто некоторое конечное состояние s° с оценкой Est®. Исключим из схемы s° некоторый фрагмент f~ и добавим другой фрагмент f+ таким образом, чтобы вновь полученная схема была полной. Если оценка E3t° a Est*, то возвращаемся к схеме и выбираем другой Фрагмент для исключения.

Если оценка < то - ледащий цикл удаления-

добавления проводится уже со схемой s*. Таким образом обеспечивается движение в направлении увеличения оценки схемы EstT. Процедура удаления-добавления,организуемая по градиенту оценки EstT позволяет последовательно просматривать допустимые схемы с увеличивающимся значением оценки Сь

' В данном алгоритме осуществляется случайный механизм удаления элемента из текущей схемы с эволюционирующим распределением вероятности удаления различных элементов. Иначе говоря, по мере накопления данных о результатах предшествующих удалений элементов из схем, распределение вероятности удаления каждого элемента изменяется пропорционально его рейтингу. То есть, вероятность удаления 1-го элемента увеличивается в том случав, если средний выигрыш от удаления i-ro элемента в предыдущих случаях был выше среднего выигрыша

на протяжении последних г шагов и уменьшается в противном случае.

На протяжении достаточно большого числа шагов каждый элемент появляется в синтезируемых схемах неоднократно, что позволяет уточнять его рейтинг по ходу процесса. Таким образом, удаление элементов, происходит в соответствии с самоо.бд^-чашимся ---------------

Добавление элементов осуществляется в соответствии с эвристикой добавления. Запрещается добавлять элемент, который был исключен на предыдущем шаге.

4. Апробация экспертной системы путем машинного эксперимента и ее результаты.

Настоящая экспертная система была апробирована для разработки рациональной структуры технологической схемы производства изолятов белка из сои. В качестве критериев оценки технологических схем были приняты: выход белка, содержание белка в готовом продукте, качество продукта (его биологическая ценность), экологическая чистота технологии, использование энергии, использрвание воды, использование побочных продуктов. В качестве требований к целевой схеме была задана 903 вероятность достижения максимальных значений оценок по всем критериям (пять баллов).

В результате апробации ЗС были получены следующие варианты технологических схем производства изолятов белка из соевых шротов, максимально удовлетворяющие заданным требованиям :

Вариант I. Способ осуществляется следующим образом:

Соевый шрот после очистки от посторонних примесей поступает на экстракцию в аппарат Э. Экстракция проводится раствором щелочи. Посла разделения на центрифуге Р1 нерастворимый остаток шрота (НОШ) направляется на экструзионную переработку с целью получения пищевых продуктов. Экстракт направляется на выделение из него белка в аппарат В. Выделение белка осуществляется о помощью полисахаридов. После отделегшя от сыворотки на сепараторе Г2 суспензия белка направляется на промывку водой в аппарат ПБ, на стерилизацию острым паром в ап-

парат СТ и далее на сушку. Сушка осуществляется сублимацией. Схема позволяет получать изолят белка. Сыворотка направляется очистку методом ультрафильтрации в аппарат УФ и возвращается на экстракцию для приготовления экстрагента. Воды от промывки белка направляются на ультрафильтрацию и далее используются на стадии выделения белка. Структурная схема процесса приведена на рис. 2.

Вариант 2. Способ осуществляется следующим образом:

Соевый шрот после очистки от посторонних примесей и измельчения направляется на экстракцию в аппарат Э. Экстракция проводится раствором щелочи с добавлением галоидов щелочных металлов в концентрации 0.2-1 М для удаления веществ с неприятным запахом и пигментов. После разделения на центрифуге Р1 НОШ направляется на экструзионную переработку с целью получения пищевых продуктов. Экстракт направляется на выделение из него белка в аппарат В. Выделение белка проводится методом ультрафильтрации. Полученная суспензия белка направляется на стерилизацию в аппарат СТ и далее на сушу в суиилку С. Стерилизация осуществляется в поле ВЧ. Сушка осуществляется сублимацией. Ультрафильтрат очищается методом обратного осмоса ъ аппарате ОС и возвращается на стадию экстракции для приготовления из нее экстрагента. Структурная схема процесса приведена на рис. 3.

Вариант 3. Способ осуществляется следующим образом: соевый шрот после очистки от посторонних примесей и измельчения подается на первую стадию экстракции в аппарат 31. Экстракция проводится водным раствором щелочи при рН 7-8. После экстракции суспензия шрота поступает на разделение в аппарат Р1. Экстракт белка направляется в сборник Я и образует экстракт I. НОШ направляется на вторую стадию экстракции в аппарат 32. Экстракция проводится водным раствором щелочи при рН 10-11. После экстракции суспензия шрота направляется на разделение в сепаратор Р2. Экстракт белка направляется в сборник и образует экстракт 2. НОШ после экстракции направляется на экструзионную переработку в аппарат ПР. Данная технологическая схема предусматривает два варианта переработки экстрактов: I. Экстракты I и 2 объединяются в сборнике

03 и направляются на выделение из них белка в аппарат В. Выделение белка проводится путем его термокоагуляции. После этого суспензия белка направляется на отделение от сыворотки в сепаратор РЗ. Сыворотка направляется на очистку методом ' ультрафильтрации в аппарат УФ, после чего рециклом направляется на стадию экстракции для приготовления экстрагента. Выделенный в аппарате В Седак »ч-прпшшамэд—на—пршЕБкуТ "Продавка белка осуществляется раствором спирта при Т= 20°С. Затем белок направляется на стерилизацию острым паром и на сушку. Сушка осуществляется распылением.

2. Экстракты I и 2 перерабатываются отдельно. Это позволяет фракционировать белки. В этом случае экстракт I после разделения в центрифуге Р1 направляется на выделение белка в аппарат В и далее, по схеме, описанной выше. Экстракт 2, получаншй спустя определенное время в аппарате 02 пост получения экстракта I, направляется через сборник С2 на выделение белка в аппарат В и далее по схеме, описанной выше. Структурная схема приведена на рис. 4.

Полученные схемы были проанализированы с помощью экспертных методов и спомоиыо экспериментально-расчетных методов.

Анализ полученных ЭС схем показал, что их главные отличия состояг в способе экстракции, способе выделения белка из белоксодеркащего раствора. Это означает, что экспертная система успешно распознает стадии, сказывапциэ наибольшее влияние на техшско-экономические параметры и ведет синтез схем в направлении совершенствования более слабых узлов.

В таблице 3 даны вероятности отклонения экспертных оценок синтезированных схем от требуемых значений оценок (доверительные вероятности достижения заданных оценок).

Таблица 3.

Вероятность отклонения оценок синтезированных схем от заданных значений оценок.

Схема I Схема 2 Схема 3

Выход 0.088 0.059 0.045

Содержание белка в готовом продукте Себестоимость готового продукта Экологическая чистота технологии 0.030 0.022 0.000 0.028 0.083 0.000 0.026 0.091 0.000

Потребление энергии Потребление вода 0.06Э 0.010 0.078 О.ОП 0.081 0.098

Переработка побочных продуктов 0.022 0.030 0.028

Качество белка 0.015 0.0.0 0.014

Из таблицы 3 видно, что по выходу белка второй и третий варианты схем получили более высокую оценку, чем первый вариант. Это согласуется с данными, приведенными в табл. 4, о материальном балансе процессов производства изолятов пищевых соевых белков по традиционной схеме (включающей экстракцию белка раствором щелочи с последующим его осаждением в ИЭТ) и по схемам, полученным с помощью ЭС.

Таблица 4.

Материальный баланс процессов производства изолятов белка из сои.

Содержание (в %) при процессе производства

Продукт традиционный вариант 1 вариант 2

--- -сухере-в-ва «ежа-" ■сухого в-ва оэлка сухого в-ва белка сухого в-ва белка

исезый шрот 100 100 100 100 100 100 100 100

НОШ 59.5 51.68 59.1 51.68 58.5 50.9 40.0 21.9

Экстракт 40.6 48.32 40.9 48.32 41.5 49.1 60.0 78.1

Изолят 18.6 32.64 20.1 36.56 24.5 45.6 41.7 67.1

Сыворотка 13.8 8.43 13.3 7.42 - - 13.3 7.29

Промыв, вода ело 7.25 1 7.50 6.38 - - 5.00 3.71

Ультра-фильтрат „ 17 3.50 _

Как видно из табл. 4, выход Оэлка по сравнению с традиционной схемой возрастает в первом случае на 11%, во втором случае на 27%, в третьем - на 4855.

Содержание белка в готовом продукте составляет по традиционной схеме 85%, по первому и третьему вариантам - 88%, по второму варианту 90Х.

Потребление воды, по сравнению с традиционной схемой, уменьшилось по первому варианту на по второму варианту на 22%, по третьему варианту возросло ни 26%.

Полученные схемы были обсуждены коллективом экспертов и Получили удовлетворительные опенки. Вило отмечено, что в полученных ЭС схемах используются, я отличие от траяициои-

ной, в основном, физические, а не химические способы видело-I ния белка, что позволяет повысить биологическую ценность I готового продукта и улучшить его функциональные свойства; что первый и'третий варианты схем позволяют проводить фракционирование белков; что способы переработки побочных продуктов позволяют повысить экологическую чистоту производства.

Вывода по результатам апробации ЭС:

1. Экспертная система синтезирует описания технологических1 схем производства изолятов белка из сои в соответствии с заданными требованиями. Схем, идентичных синтезированным экспертной системой, в базе данных не содержится.

2. Компетентность суждений экспертной системы тесно коррелирует с уровнем компетентности мнений, высказываемых коллективом экспертов, формирующих базу знаний.

3. Состав полученных экспертной системой описаний схем отражает компромисс мекду требованиями, предъявляемыми к схеме по различным критериям. Это выражается в том, что экспертная система синтезирует несколько вариантов описаний технологической схемы.

4. В целом, результаты работы ЭС позволяют сделать вывод о том, что применение эволюционно-стохастических методов для синтеза состава технологических схем на основании комплекса оценок отдельных вариантов оказывается достаточно эффективным. Об этом свидетельствует сравнительно небольшой объем перебора при синтезе вариантов и относительная простота подготовки исходных данных.

5. Исследование процесса экстрагирования белка из соевого

шрота.

Исследование кинетики набухания шрота.

Была исследована кинетика набухания соевого шрота в за. висимости от рН и температуры среды, от размеров частиц шрота.

Исследование кинетики изменения содержа®,* белков в экстракте.

часгнП^Т0™ С°ДерЖанИЯ Селк* а экстракте от размеров

ствГоГрис1: "Г™ ШреМ~* соотв^т-

Кшштическио кртт изменения содержания Селка в экст-Часгац ^ °-85-1 » зависимости Г1

и *омлор<а,ры среды представлены соответственно ГриГ. 7^8

Обсуждение результатов эксперимента - Скорость набухания соевого шрота зависит от темпе™ тт среды и размера частиц ирота. Так. при теГератур " ^ Для фракции соевого ирота 0.4 - 0.Б6 мм при рН 7.0 и времени

набухания I н», козда^ент набухания Тостуй! 3 6. ' Г т шерагуро 50 для аналогичных условии - 4.7. д/я фрГ

услоГГ кСоРГ6РОМ ЧЭСтаЦ °'8 ~ ^ ^ ^ -е^азГ^

условиях коаиюшент набухания составил 1.9. Получешше результаты не противоречат нмэодшея в литературе ¿ ~ влиянии температуры „а скорость набухания соовыхТбов

- Скорость набухания соевого шрота не зависит от рН средн.. Это ю*от быть объяснено присутствием таких лшюфмтышх соединений как полисахариды. растворение которых та^оГ-вовдээтея набуханием. Содержание полисахаридов с^таХ пршерно 50« от общего качества углеводов'в соавом ^т которое колеблется от 25 до 33%.

аПо?„~тПРеДеМЮе 3,Ше"1,С' коэ№щпента набухания соевого шртта составляет а средне« 6.0 и 1ю зашсит от ^

температуры среды, от размера.частиц шрота.

" ^^ Д0СТШвтя "Р^^ьноа степени набухания а диапазоне исследованных перомошшх составляет от 3 до 20 мин

- Сопоставление кинетических кришх набухания ¿рота с кинатичоскими кривыми изменения .содержания белка в экстракте. снята», в аяадопгош условиях показывает, что прочее Сухпния протекает быстро в сравнено. с процессом окстра-ироаония болка „ мокни считать, что экстрагирована оста,ст-вляотся ужо из набухших частиц.

- Определение коэффициентов линейного и объемного расширения частиц соевого шрота показало, что, в среднем, коэффициенты линейного и объемного расширения составляют 1.4 и 2.9 соответственно и также, как степень набухания, не зависят от рН, температуры среды и размера частиц шрота.

- Для определения механизма массопереноса били построены кинетические кривые изменения содержания оелка в экстракте для частиц шрота с размэром 0.8 - 1.25 мм при различных значениях скорости перемешивания, рН и температуры среды, соотношения шрот:растворитель в координатах степень отработки к -корень квадратный от времени экстракции Уг. Дашшэ кривые представлены на рис. 9. Наличие линейного участка на этих кинетических кривых и зависимость содержать белка в экстракте от размеров частиц шрота могут свидетельствовать о внутридиф-фузионпом типе массопереноса молекул белка.

- Однако, влияние температуры на изменение содеркшгая белка в экстракте связано не только с зависимость» коэффициента внутретей диффузии белков от температуры, но и с влиянием температуры на растворимость белков. Об этом свидетельствуют литературные источники.

- Влияние скорости перемешивания на кинетику накопления белка в экстракте может быть объяснено как вшшнедкффузионным сопротивлением, так и увеличением поверхности раздела фпз вследствие сегрегации частиц набухшего шрота, которое наблюдалось экспериментально.

- Соотношение шрот - растворитель влияет на равновесную концентрацию белка в твердой флзе и в экстракте, а такта на движущую силу процесса экстрагирования, поэтому от него зависит содержание белков п экстракте.

- Увеличение содержания белков в экстракте с увеличением рН среда связано также с повышением растворимости белков.

Ис результатом эксперимента были рассчитаны коэффициента внутренней диффузии Сеж-!, которые ггредст.эллени в табл.

Таблица Б.

Коэффициенты внутренней диффузии в процессе экстракции Оелка из шрота б»10~*2 м

Метод расчета коэффициента диффузии Число оборотов мешалки, мин-1

23 3000

Температура—2с--

30 40 40 50

По начальному участку кинетической кривой По конечному участку кинетической кривой 3.25 7.53 10.6 15.2 4.34 5.78 1.30 2.25

- Коэффициенты диффузии белка в растворе в начале процесса составляют при 20°С - 1.73*1СГ12 м2/с, при 40°0 -3.2*Ю-12 м2/с. при 50°0 - 3.7*10~12 м2/^ через 40 мин. от начала опыта при 20°С - 2.17 м^/с, при 40°С - 1.43 м^/с, при 50°С - 2.04 м2/с.

6. Моделирование и расчет процесса экстрагирования белка из соевого шрота.

Расчет продолжительности процесса экстрагирования белка из шрота при заданной степени извлечения является основной задачей моделирования процесса.

Физические представления о механизме экстрагирования белка из шрота основаны на диффузионно-химической природе процесса.

Частицы ирота имеют, в среднем, одинаковые размеры во всех трех измерениях-и поэтому в качестве геометрической модели были использованы частицы сферической формы. По своей структуре частицы соевого шрота относятся к коллоидным ка-пилярно-пористнм материалам. В среде растворителя они интенсивно поглощают жидкость вследствие квпилярной пропитки, я затем под действиям осмотического давления. Происходит зна-

читальное набухание частиц, их масса увеличивается в 1.6 -2 раза, линейные размеры - в 1.4 раза. Процесс набухагшя-сопровождается растворением белка. Макромолекулы белка малоподвижны в сравнении с молекулами растворителя и за время набухания (порядка б мин.) они практически не успевают продиффун-дировать в жидкую фазу, окружающую частицу. Условно это можно считать первой стадией процесса экстрагирования, к концу которой набухшие коллоидные частицы содержат внутри раствор белка.

Экспериментально установлено влияние на кинетику процесса экстрагирования гидродинамических условий, с одной стороны, температуры, размеров частиц шрота с другой стороны. рН среды также влияет на кинетику процесса. По ходу экстрагирования отмечается распад частиц шрота.

С учетом результатов экспериментов можно представить граф протекания процесса следующим образом:

Граф протекания процесса экстрагирования белка из частиц соевого шрота.

Буквами отмечены состояния белка: » - нерастворенный белок-. ь - растворение белка в частице шрота-, с - распределение белка на поверхности частицы; а - распределение белкпв объеме раствора.

Математическое описшма процессов, происходящих при экстрагировании белка, мокло сформулировать слчдупним образом.

Наблюдаемое изменение величины эффективной поверхности обмена связано с уравнением скорости распада частиц:

dF/dr = U(Re,Fr,F)

При наличии в реальных условиях исходного распределения частиц по размерам вычисляется эквивалентно» пмячттп у un m -ной Поверхности Fe для ансамбля частиц, соответствующее текущему распределению частиц по значению удельной поверхности PCF). такое, что

f С

_ max о _ _

.KF .С .Л - -Г P(FJ/ P(C.F)*.irF,C)dC <*) е mid „ n

где p(c,f) - распределение частиц по концентрациям белка в твердой фазе для данного значения величины удельной поверхности

После введения допущения о постоянном виде распределения частиц по концентрациям белка в твердой фазе, выражение (») приводится к виду:

F

шах

•1(Fe-Cmid) = т P<F) * .HF.CfFndF min

dPíF)/d'■ = а(и*Р(П)/аК

Решение приведенного волнового уравнения для распределения частиц по значениям удельной поверхности хорошо аппроксимируется функцией:

В связи с тем, что определение коэффициента внутренней массоотдачи для частиц с переменным размером представляет

трудноразрешимую задачу, делается допущение о постоянном размере частил, после чего можно записать нижеследующее. '

Поток массы через поверхность частицы в каждый момент времени описывается следующей формулой:

.1 = *>/н.

где <> - общий потенциал переноса,

Я - эффективное сопротивление переносу, и/м. Соответственно, дифференциальное уравнешю мэссопереноса записывается в виде:

где с - концентрация белка в твердой фазе, % масс. Г •• удельная поверхность единицы объема, 1/м. При этом общий потенциал переноса монет быть выряжен через уравнение равновесия между твердой и жидкой фазами:

< = с -к»с,

где с - концентрация белка в жидкой фазе, % масс.

к - коэффициент пропорциональности, причем, в общем случае, к = €(рН,т) Величина эффективного сопротивления переносу определяется как суперпозиция всех его составляющих:

я = 1/С1/(г1+г3> »• иг21 «• г4.

где г, - сопротивление, пвязэнноо с растворением белка:

г2 - сопротивление механическому обновлению поверхности:

г„ - внутреннее* сопротивление диффуилиругамм к поверх-3 иостм молекулам растворенного белка:

г. - внешнее сопротивление но поверхности частицы, оказываемое молекулам Сслко:

г1 = 1/К г3 = \/Р

г2 = FiHe.Fr) г4 = 1/Р

Константа скорости определяется по формуле:

Коэффициент внутренней массоотдачи Р определяется из решения уравнений переноса белка в набухшей частице шрота, принятой за с£яру с эффективным радиусом го, при граничных условиях третьего рода.

Коэффициент внешней массоотдачи определяется по формуле:

= Ни * С1/ Ур,

где Ни - критерий Нуссельдта.

Критерий Био выражается через функцию геометрических параметров частицы, критерий Нуссельдта определяется как функция критериев Рейнольдса и.Прандтля.

Был разработан алгоритм преобразования описанной выше модели в расчетную модель методом переменного критического сечения. На основании этого алгоритма была разработана расчетная модель процесса экстрагирования, учитывающая влияние на процесс таких факторов как размер частиц шрота, скорость перемешивания, рн среды, температуру среды, соотношение шрот: растворитель.

Апробация математической модели процесса экстракции.

На рис. II представлено распределение частиц по значениям величин их удельной поверхности в ходе процесса экстрагирования.

На рис. 12 представлена расчетная кинетическая кривая процесса экстрагирования белка из соевого шрота для аппарата периодического действия при следующих условиях: размер частиц шрота I мм, сн 7, температура 50°с, соотношение шрот : растворитель 1:125 кг/м3.

- 2Т -

На основании расчетов кинетики экстракции при различных условиях были определены оптимальные условия процесса экстрагирования Оелка из соевого шрота раствором щелочи по выходу белка: размер частиц шрота 0.25 мм, рН экстрагента II, температура 49°0, соотношение шрот : растворитель 1:100 кг/м3, время экстракции 20 мин.

На рис. 13 представлена расчетная кинетическая кривая процесса экстрагирования белка из соевого шрота для проти-воточной организации процесса при аналогичных условиях: размер частиц шрота I мм, рН 7.0, температура 50°С, соотношение шрот : растворитель 1:125 кг/м3. Сравнение прямоточной и про-тивоточной экстракции показывает, что в области концентраций, далеких от равновесия, эффективность этих способов организации потоков примерно одинакова, в случае концентраций, близких к равновесным при данных условиях, противоточлая организация потоков дает выигрыш 15%.

Заключение и выводы.

1. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых разработана экспертная система принятия решений, адаптированная для анализа про- цес-сов производства изолятов белка из соевых шротов и синтеза структурных технологических схем производства изолятов белка из соевых шротов с учетом предъявляемых к схемам требований по выходу и качеству готового продукта, по экологической чистоте производства, по потреблению воды и энергоресурсов. Экспертная система работает на основе накопленных в дашюй предметной области знаний, получивших оценку коллективом экспертов.

2. На основе разработанной экспертной системы получены три варианта ■ рациональных структурных технологических схем производства изолятов белка из соевых шротов, позволяющие увеличить выход белка, содержание белка в готовом продукте, повысить его биологическую ценность. Все варианты позволяют осуществить экономии потребления нош, перейти к безотходным технологиям.

3. Исследован процесс экстрагирования белка из соевого шрота раствором щелочи. Показаьо, что он состоит из двух стада?: растворения белкового комплекса, сопровождающегося набуханием частиц шрота, и массопереноса растворенного белка в объем экстрагента. Определено, что стадией, определяющей выход белка, является его растворение. Факторами, влияющими на растворимость • бя.г.^в, явти"т*я—рН—и—температура" Определено, что лимитирующей стадией процесса экстрагирования белка является стадия массопереноса. Механизм массопереноса является смешашюдиффузионшм.

4. Определены кинетические параметры процесса экстрагирования, такие как коэ|4мцивнты внутренней диффузии и внешней диффузии белка в растворе, коэффициент распределения функции равновесия между твердой и жидкой фазами.

5. Разработана математическая модель экстрагирования белка из шрота детерминированного типа, адаптированная для инженерных расчетов, учитывающая влияние на кинетику процесса следующих факторов: рН и температура среды, скорость перемешивания, распределение частиц шрота по размерам, соотношение шрот:растворитель. Сравнение результатов расчетов и экспериментальных данных показывает, что разработанная расчетная модель адекватно учитывает влияние перечисленных параметров на кинетику процесса и может применяться для исследования процесса экстракции.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих, публикациях:

Константинова О.В., Красильников В.Н., Черэзова М.Е. Влияние технологических параметров на кинетику экстрагирования белков из соевого шрота.- С-Г1.: Маслояшровая промышленность, N2. 1992 г., (в печати)

Черезова М.Е., Константинова О.В., Красильников В.Н. Экстракция белков из шротов масличных семян. - Тезисы докладов Всэс. конф. "Экстракция органических соединений", 7-9 июня 1989 г., г. Воронеж, ч. I, с. ВС

Черезова М.Е., Константинова О.В., Красильников В.Н. Эк-, спертная система принятия решений для оптимизации техго- ло-

гии получения соэвого изолята белка.- С-П.: Масло-яировая промышленность, н2, 1992 г., (в печати)

Черезова М.Е., Константинова О.В., Красильников В.Н. Экспертная система принятия решений для оптимизации техно- логин получения соевого изолята из растительного сырья. - Тезисы докладов Всес. конф. "Достижения биотехнологии - агропромышленному комплексу", октября 1991 г., г. Черновцы, т.2, с. 146

Черезова М.Е.. Константинова О.В. Использование мультипликативных моделей при исследовании п оптимизации процессов пищевой промышленности. - С-П.: Масло-жировая промышленность, N2, 1992 г., (в печати)

Рис. I Схема работ по созданию базы знаний.

со

I

Изояят велка

Ркс. 2 Uoproií вярианг структурной техполо-rint'CKo''. схемы, сгнгзагропанной ЭС.

Рис. 3 Второй вариант гичёсхой схемы

структурной техноло-, синтезированной X.

1 Изолят I Селка I

Pre. 4 ".'готг.> Г?.г;-Л!!7 оггуктурно;! тохн%юпп<зокой схе?.м,

Пг,гг/.е«-.агл. Сплошной 5%обгаяон ход пооиесса без

фр!,кп,глнирбК1нгя оелков. Пунктирной лигсей г-'обга---он хоп лгоиегса с фракплонированкем бе:

белков.

-л-

Рис. 5 Зависимость содержания белка в экстракте от диаметра частиц шрота.

^ксю-лижнтальные точки получены при времени 'жстракши 20 мин.

Рис. 6 Уавтск'.юсть содержания белка в экстракте от скорости пере-».•егапвания.

^'Копе];5г,"витальные -точки получек пр:; времен:! ■чхтракнии

¿и II.

¡V №

4 рА-

/; X --7

к

1 /1

V

го 60 100 140 180 220 Т.мин Рис. 7 Ьлиянио рН на к-лнетаку экстрагирования белка.

-J/-

Т* 7« SO'С

to "С

10'С

10 SO 30 bo 50 SO 10 SO Ï.MUH

P лс, в Влияние гвггерчтур/ на клтти-

Ку ЭКТТ]ДГИрйПЯНИЯ «Юлка.

40

а в 5

Рис. 10 Распределение частиц по {за -мерам:

1 - начальное кспергаенталъное

2 - начальное расчетное

3 - расчетное чорез 20 млн.

4 - расчетное че;ез 1"тн.

О --------------------------

О tau 60

Рис. II Кинетическая кривая акстра-гирования бел!-а из шрога: I - -..'Кспершентальнэя г. - расчетная

I ).Ь

Рис. 12 Кинетические кривые экстрагирования белка, при противотоке:

1 - в твердо Г. фазе

2 - в жидкой Фазе

Тил ,{Ш1иешс, засЗЖгч/, <СС ге/р-9^ Бм^лтно