автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обоснование и разработка процесса мембранного разделения кваса с целью увеличения срока биологической стойкости

На правах рукописи

ПОПОВ Дмитрий Сергеевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА

МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КВАСА С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

г 4 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2013

Ш7 ГлШ

005535496

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор

химических наук, профессор Шапошник Владимир Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»)

кандидат технических наук, доцент Ключников Андрей Иванович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государ-

ственный аграрный университет имени' императора Петра I»

Защита состоится «14» ноября 2013 г. в П30 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru «14» октября 2013 г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «11» октября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 профессор I—Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Квас - это традиционный русский напиток. Содержание в нем полезных веществ значительно, в то время как у многих конкурентов кваса присутствуют красители и прочие добавки.

Важной проблемой реализации кваса не только в домашнем регионе, но и при доставке на дальние расстояния, является малый срок годности продукта. В свете того, что потребление кваса в России на протяжении ряда последних лет характеризуется устойчивой тенденцией к росту и того факта, что большинство потребителей предпочитают покупать квас в пластиковых бутылках, решение этой проблемы является весьма актуальным.

Для увеличения срока биологической стойкости, в настоящее время, используют такой экономически неэффективный, высоко затратный процесс, как пастеризация, что при нынешних тенденциях развития энергосберегающих технологий не является рациональным. При этом уничтожаются, как минимум, все витамины, содержащиеся в квасе (Bl, В2, РР. D) и нередко такой квас обладает невысокими органолептическими качествами.

Одной из причин ограниченного срока хранения кваса является незавершенное брожение и наличие в бутилированном напитке, в том числе в квасе в кегах, дрожжей и молочнокислых бактерий. Известно, что квасные дрожжи имеют минимальный размер 6 мкм (9-11x6-8 мкм), а молочнокислые бактерии расы 11 имеют минимальный размер 0,5 мкм (1,2-2,1x0,5-0,6 мкм).

В настоящее время все большую актуальность приобретают технологии мембранной фильтрации пищевых продуктов, исследования которых в последние годы ведутся в нашей стране и за рубежом. Следует отметить работы ученых Ю.И. Дытнерского, Б.Н. Федоренко, В.М. Старова, JI.C. Лукавого, В.А. Лялина, М.Т. Брыка, С.Ф. Тимашева, А.Ш. Шаяхметова, В.М. Абарышева, А.Н. Черкасова, A.A. Свитцова, В.Д. Волгина, а также Т. Брока, М. Мак-Кечни, С. Хоффмана, В. Кунце, Р. Шленкера. Применение такого процесса, как мембранная фильтрация, позволит устранить нежелательные для биологической стойкости компоненты без термической обработки. При этом все остальные компоненты,

содержащиеся в квасе и формирующие его вкусовые и питательные качества, остаются в полной мере.

Использование с целью удаления из кваса дрожжей и молочнокислых бактерий методом тангенциально - поточного фильтрования обеспечивает значительные преимущества перед традиционными методами, что позволяет выйти на новый уровень производства.

Цель п задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является определение наиболее рациональных энерго — и ресурсосберегающих параметров процесса мембранного разделения и аппаратов, позволяющих снизить явление концентрационной поляризации и способных обеспечить эффективное осветление кваса с целью увеличения срока биологической стойкости. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

— исследование основных свойств кваса;

— исследование процесса мембранного разделения кваса;

— разработка и анализ математической модели процесса мембранного разделения суспензии кваса;

— разработка и создание экспериментальной установки для мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме;

— оценка экономической эффективности и целесообразности внедрения предлагаемой экспериментальной установки;

— разработка инновационных способов и оборудования для мембранного осветления кваса.

Научная новизна. Изучены реологические характеристики квасных суспензий при различных концентрациях, температурах и градиентах скорости сдвига, на основании которых был сделан вывод об их принадлежности к неньютоновским псевдопластичным материалам, течение которых описывается законом Оствальда де Виля.

Получены обобщенные реологические уравнения квасных суспензий при различных концентрациях, которые обладают инвариантностью и учитывают концентрацию молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также температуру суспензии.

По результатам исследований кинетических и гидродинамических закономерностей процесса микрофильтрационного разде-

ления кваса, научно обоснован выбор мембранного фильтра с размером пор 0,4 мкм, при котором происходит полное удаление молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также определены параметры процесса: Р^ОЛ 15 МГТа. 1ср=0,005 м3/(м2-ч), ср=100 %.

Разработана математическая модель процесса образования слоя осадка на внутренней поверхности трубчатой мембраны, позволяющая рассчитать величину динамической вязкости движущейся внутри канала трубчатой мембраны суспензии, сопротивление гелеподобного слоя, а также величину концентрационной поляризации в каждый момент времени.

Определены физико-химические свойства осветленного кваса, из чего следует, что полученный пищевой продукт не только соответствует требованиям ГОСТ Р 53094-2008, но и обладает присущими ему традиционными органолептическими показателями.

Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления кваса (патенты РФ 2367507,2372974, 2462298).

Практическая значимость работы. На основании лабораторных и производственных испытаний, показана целесообразность применения мембранного аппарата с трубчатыми керамическими мембранными элементами, новизна которого подтверждена патентом РФ на полезную модель 122306.

Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления кваса.

Благодаря разработанной математической модели становится возможным более эффективное проведение процесса микрофильтрации кваса за счет полученных уравнений, позволяющих рассчитывать выходные параметры, а также такие характеристики процесса, как величина динамической вязкости, движущейся внутри мембраны суспензии, сопротивление гелеподобного слоя, а также величина концентрационной поляризации, в каждый момент времени.

Новизна технических решений подтверждена патентами РФ 2367507, 2372974, 2379097.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в

Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2010 по 2013 гг.); Conference with international participation «Integrated systems for agrifood production» (Sibiu, Romania, 2013); Международной научно-практической конференции «Современное общество, образование и наука» (Тамбов, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2011 г.); Региональной научной конференции «Развитие техники пищевых производств малых предприятий» (Воронеж, 2011 г.); Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок» (Воронеж, 2011 г.); отмечены дипломами межрегиональных выставок «Инженерные технологии XXI века» (Воронеж, 15 ноября 2011 г.), «III Воронежский агропромышленный форум» (Воронеж, 1 -3 ноября, 2011 г.), «V Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 21 -22 марта, 2012 г.).

Результаты работы легли в основу инновационного проекта «Разработка установки и исследование процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме», реализуемого ВГУИТ по государственному контракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере N° 8746р/14016 от 14 января 2011 г. по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»),

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентов РФ и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура il объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 211 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает 145 наименований. Приложения к диссертации представлены на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена характеристика кваса, как объекта исследований, обоснована актуальность и научная новизна работы, рассмотрены методы увеличения биологической стойкости кваса, а также обозначена цель дальнейших исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние безалкогольной отрасли промышленности. Показана пищевая ценность и полезные свойства кваса, рассмотрены способы увеличения его биологической стойкости. На основании анализа полученных данных, было сделано заключение о целесообразности и эффективности применения методов мембранной микрофильтрации к увеличению биологической стойкости кваса. Обозначены цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе исследованы качественные характеристики кваса. В качестве объектов исследования были выбраны квасы светлые нефильтрованные хлебный и окрошечный. В связи с большим объемом полученных данных, в автореферате представлены исследования только по квасу хлебному. Определены физико-химические (общее число микроорганизмов, содержание спирта, величина кислотности, содержание сухих веществ и двуокиси углерода) и органолептические показатели объектов исследования, определена биологическая стойкость нефильтрованного кваса (5 сут.).

Для микроскопической оценки наличия в нефильтрованном квасе микроорганизмов, одним из воздействий на продукт которых заключается в снижении срока биологической стойкости напитка, проводился посев кваса на питательной среде, в результате которого были получены фотографии нефильтрованного кваса в чашке Петри (рис. 1), с явно различимыми колониями.

Рисунок 1 - Фотография посева кваса светлого хлебного нефильтрованного на питательной среде МПА: 1 - бактерии рода Micrococcus; 2 - дрожжи рода Sacharomyces и Pichia; 3 - молочнокислые бактерии расы 11

Были получены микрофотографии исследуемого кваса. Исследования проводились методом светлого поля на микроскопе «Био-мед-2» в проходящем свете с применением красителя Павловского. На рисунке 2 отчетливо видно, что в квасе содержатся достаточно крупные включения, а именно - оболочки зерновых культур (рожь и ячмень), а на рисунке 3 — дрожжи и молочнокислые бактерии. 10 мкм

ш^ШШЩй—в» «ЯШ

ъ» ШШШШВтШвшЯЯЯя

Рисунок 2 - Микрофотография кваса (40х)

10 мкм

11?

11

ив

ШВ!

Рисунок 3 - Микрофотографии кваса (увеличение 400х): 1 - дрожжи; 2 - молочнокислые бактерии По полученным результатам, было выявлено распределение компонентов кваса по размерам (< 0,1 мкм — белки, углеводы, молочная и органические кислоты, ароматические и красящие вещества, витамины, ферменты, минеральные вещества и т. д.; 0,2 - 5 мкм - бактерии; 0,5 — 2,5 мкм — молочнокислые бактерии; 6-12 мкм- дрожжи; 8-100 мкм - механические примеси (фрагменты оболочек зерна, крахмал и т. д.)).

С учетом выбранного материала мембран, схемы проведения процесса, распределения компонентов кваса по размеру, а также рекомендуемого соотношения размеров пор к характерным размерам частиц (менее 3), был сделан выбор трубчатых керамических мембран 0,4,0,9, 1,2, 1,6, 2,4, 3 и 5 мкм.

В третьей главе представлено описание разработанной экспериментальной установки (рис. 4, 5), приведены результаты ис-

следований по кинетике и гидродинамике мембранного разделения кваса, изучены реологические характеристики квасных суспензий.

Рисунок 5 - Фильтрационный аппарат в сборе: 1 - цилиндрическая обечайка; 2 - штуцер для вывода пермеата; 3 - штуцер для присоединения манометра; 4 - манометр; 5,6 - входной и выходной патрубки, соответственно; 7 - шпилька; 8 - болтовое соединение

Рисунок 4 - Экспериментальная установка (без обечайки фильтрационного аппарата): 1 - циркуляционная емкость; 2 -центробежный насос; 3,20 - трубная решетка; 4 - трубчатый керамический мембранный фильтр; 5 - шпилька; 6,7,12 - запорная арматура; 8 - кран вывода концентрата; 9,11- манометр; 10-станина; 13,14-трубопровод; 15,16 - крышка; 17,18 - входной и выходной патрубок, соответственно;

19 - шток; 21 - расходомер В ходе эксперимента, квас подвергался микрофильтрационному разделению, по окончании которого, пробы подвергались исследованию. В полученном продукте определяли такие физико-химические характеристики, как массовая доля сухих веществ, кислотность, объемная доля спирта и массовая доля двуокиси углерода (табл. 1).

Отфильтрованный продукт был повторно подвержен процессу посева на универсальной питательной среде для всех микроорганизмов МПА, в ходе анализа которого, дрожжи, молочнокислые бактерии, а также какие-либо другие бактерии, в том числе, бактерии группы кишечной палочки (БГКП), обнаружены не были.'

Таблица 1

Физико-химические показатели кваса хлебного фильтрованного

Наименование показателя Размер пор мембран, мкм Показатели нефильтрованного кваса (на первые сутки)

0,4 0,9 1,2 1,6 2,4 3 5

Массовая доля сухих вешеств, % 5,4 5,63 5,8 5,94 6,05 6,09 6,15 6,2

Кислотность, к. ед. 2,8 2,85 2,89 2,94 2,96 2,98 2,98 3,05

Объемная доля спирта, % 0,84 0,86 0,9 0,92 0,95 0,98 0,98 1,02

Массовая доля двуокиси углерода, % 0,1 0,1 0,1 0,15 0,15 0,18 0,2 0,75

Содержание дрожжей и молочнокислых бактерий нет нет нет присутствуют присутствуют

Таким образом, основываясь на данных таблицы 1 и результатах повторного посева кваса, при использовании мембран с размерами пор 0,4, 0,9 и 1,2 мкм происходит полное удаление механических примесей, дрожжевых клеток, а также молочнокислых бактерий. Стоит отметить, что в литературных источниках упоминается, что срок хранения отфильтрованного кваса может составлять около 60 сут., тогда как в результате проведенных экспериментов удалось достичь только 33 сут. для кваса светлого хлебного (табл. 2). Это объясняется недостаточно стерильными условиями проведения исследований, что устраняется на пищевых предприятиях.

Таблица 2

Физико-химические показатели кваса хлебного фильтрованного

на протяжении всего срока хранения

Показатель День проведения отбора проб и оценки

1 5 10 15 20 25 30 31 32 1

Массовая доля сухих веществ, % 6,2 6,2 6,1 5,7 5,5 5,4 5,3 5,1 5,1 5,0

Кислотность, к. ед. 3,05 3,05 3,05 3,9 4,3 4,9 5,2 5,8 5,9 6,1

Объемная доля спирта, % 1,02 1,02 1,02 1,03 1,04 1,09 1,15 1,17 1,19 1,22

Массовая доля двуокиси углерода, % 0,75 0,75 0,75 0,79 0,80 0,81 0,81 0,83 0,84 0,85

Были исследованы зависимости селективности и проницаемости мембран в процессе разделения кваса (рис. 6, 7). Продукт загружался в емкость для разделяемого продукта, после чего установка

запускалась и процесс разделения проводился вплоть до момента прекращения выхода пермеата из фильтрационного аппарата. В частности, для определения рабочего давления, процесс мембранного разделения проводился с постепенным увеличением величины давления (через каждые 30 мин, в течение 3 часов) от 0 до 5 атм (рис. 6).

м *ч 4,00

3.50

3.11(1

2.50

2.00

1.50

1,00

11,111 0,20 О.ЗО

Й

1 •О У г!

V

о ч

ч Ч V N

100

90 80

1,40 0.5О Г. МП а

Рисунок 6 - Зависимость изменения величины проницаемости мембранных фильтров с различными размерами пор от величины давления в процессе разделения кваса светлого хлебного: 1 — 0,4 мкм; 2 - 0,9 мкм; 3-1,2 мкм

0 0,5 1,0 1,5 2.0 2.5 3,0 т, ч Рисунок 7 - Зависимость изменения величины проницаемости и селективности мембранных фильтров с различными размерами пор от продолжительности процесса разделения кваса светлого хлебного: 1 - 0,4 мкм; 2 — 0,9 мкм; 3 — 1,2 мкм

Необходимо отметить, что при повышении давления в системе, независимо от размеров пор мембранных элементов, неизбежно наступает момент, когда проницаемость перестает расти и процесс микрофильтрации прекращается вследствие уплотнения примем-бранного слоя, гелеобразования и закупорки пор. Таким образом, увеличение величины рабочего давления выше пределов, отмеченных пунктирными линиями (0,4 мкм - 0,325 МПа; 0,9 мкм -0,275 МПа; 1,2 мкм - 0,370 Мпа), нецелесообразно.

Для определения величин проницаемости и селективности от продолжительности процесса разделения, эксперимент также проводился в течение 3 ч. Величина проницаемости, что очевидно, снижалась почти до нуля, а величина селективности устанавливалась на отметке 100 % (рис. 7). Следует отметить, что снижение проницаемости фильтрующих элементов в процессе мембранного разделения обусловлено сгущением концентрата (вследствие обеднения его пермеатом), а также изменений, происходящих внутри, на поверхности и вблизи поверхности мембран. Для уве-

личения проницаемости изменяли скорость потока над поверхностью трубчатых керамических фильтров (рис. 8 (приведены данные только для мембран с размерами пор 0,4 мкм)).

Так как в процессе микрофильтрационного разделения кваса существенное влияние на процесс разделения оказывает не столько сам пер-меат, сколько ретен-тат, обедненный дисперсионной средой, были исследованы реологические характеристики квасной суспензии. Исследования реологических характеристик квасной суспензии проводились на ротационном вискозиметре «ВгоокАеМ Б\Ч1» при различных концентрациях СВ квасной суспензии (10. ..70 %), температурах (279...313 К) и градиентах скорости сдвига. Были получены кривые течения и зависимость динамической вязкости от градиента скорости сдвига (рис. 9).

Исходя из представленных кривых течения, можно отметить, что квасные суспензии ведут себя как неньютоновские псевдопластические жидкости, уравнения течения которых описываются законом Оствальда де Виля. Вследствие этого, были получены зависимости эффективной вязкости и индекса течения квасных суспензий, с различной концентрацией СВ, от температуры.

о 0.5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 г, ч Рисунок 8 - Зависимость изменения величины проницаемости мембранных фильтров с размерами пор 0,4 мкм от величины скорости потока над мембраной в процессе мембранного разделения кваса: 1 - 0,5 м/с; 2 -1,25 м/с; 3 - 2,0 м/с; 4 - 2,75 м/с; 5 - 3,5 м/с

Рисунок 9 - Зависимость касательного напряжения сдвига (а) и динамической вязкости (б) от градиента скорости сдвига квасной суспензии при различных концентрациях СВ: 1 - =10 % (нефильтрованный квас); 2-25 %;

3-50 %; 4-70 %

В результате реологических исследований, после математических преобразований были получены обобщенные реологические уравнения квасных суспензий выбранных объектов исследования (представлено уравнение квасной суспензии для кваса светлого хлебного):

/ „ Ч (-0,221+0,284С+0,000927Г)-1

г = (-14,25 + 0Д94с + 0,0572Г) ■

В четвертой главе представлено математическая модель процесса образования слоя осадка на внутренней поверхности канала трубчатой мембраны. С целью значительного упрощения расчетов, необходимо принять допущение, что дисперсная фаза состоит из частиц одинакового размера (примем средний размер дрожжевых клеток).

Так как процесс определения величины сопротивления слоя осадка, возрастающего на поверхности мембраны, довольно трудоемок, а также с желанием обеспечить более точное прогнозирование момента остановки процесса мембранного разделения и начала процесса обратной промывки, была сделана попытка установить зависимость возрастания общего сопротивления мембраны от других параметров процесса. С этой целью мембранный фильтрующий элемент, а также разделяемый раствор, были подвергнуты рассмотрению с различных сторон.

Конвективно-диффузионный обмен в мембранном элементе

Динамический баланс по полидисперсной среде (рис. 10) в

векторном виде можно представить, как:

Ос

норм

норм

Рисунок 10 - Конвективно-диффузионный обмен в мембранном элементе

С(х)

(1х

С(х+«1х)

Ар

Сь + (7 • с —

в ■ с п

-перм•

На основании уравнения Хагена-Пуазейля, выражающего конвективный перенос и уравнения Фика, выражающего дифференциапьный перенос, после математических преобразований, получаем уравнение:

£-Г2'Др

Л =

8т1(С-у-С-(сп,

• (1)

I ~ \*-пов ^перм./

Дифференциальное уравнение для элементарного сечения

Массовый расход перме-ата, очевидно, можно выразить следующим образом (рис. 11):

•'перм

= С(х) — в(х + йх).

г

С

перм

Рисунок 11 - Входящий и выходящий потоки в элементарном сечении

Для скорости потока после рассматриваемого элементарного сечения, применим разложение в ряд:

Лх

При этом, Сперм =

Ар

перм «общ"?'

С учетом этого, получаем:

= р ■ д(х) • 5 - р ■ 5 • (¡?(х) +

йх).

Откуда, после математических преобразований, получим:

Яг = -

(1 ^мем)

■рогоэИу

+

~Др(

(2)

Необходимо отметить, что зависимость изменения скорости движения квасной суспензии, входящая в знаменатель второго слагаемого правой части уравнения, от координаты длины трубчатого фильтрующего элемента, учитывает изменение сопротивле-

ния гелевого слоя по длине в каждый момент времени, образующегося на поверхности мембраны в ходе процесса разделения.

Воздействие сил на частицу Динамический баланс действующих на частицу сил (рис. 12) (в качестве допущения рассматриваем момент времени, когда частица адсорбировалась на внутренней поверхности канала трубчатой мембраны) запишем: Р1 - (х ■ (Рл' + Г4) + Г-4 = О, подставляя уравнения вхо-Рисунок 12 - Воздействие сил на частицу ДЯщих в уравнение сил:

, 0,4

г" • ц - ц ■ и, • г] ■ ар ■ с,

■'перм

©

+ кРА ■ с1р + кРА ■ йр = 0.

Откуда, после математических преобразований, получим:

0,4

= -'"> + 01- о)

Исходя из полученных уравнений (1) — (3), а также уравнений для определения величины концентрационной поляризации (КП), была получена система уравнений процесса образования слоя осадка на внутренней поверхности канала трубчатой мембраны:

Ар

КП =

(«мем + Ю ■ 1 '

£ ■ г2 ■ Ар ■ <1Г

Де0,75 . рг0,33

ц-к

Я, = -

(1

л =

-2 ■ Ар

Ас

8 ■ т -1(Р- — -С- (с„ов + сперм))

Научная новизна математической модели состоит в том, что:

- получены уравнения для определения вязкости проникающей жидкости, величины сопротивления гелевого слоя, а также величины напряжения сдвига, которые можно определять в зависимости от текущего момента времени проведения процесса разделения;

- определение толщины гелевого слоя трудоемкий процесс, а в некоторых случаях невозможный, в то время, как уравнение (2) позволяет определить сопротивление гелевого слоя математически;

- модель позволяет рассчитывать величины СПерм и КП в текущий момент времени, так как получена зависимость входящих в эти величины параметров от времени (уравнение (3)).

В пятой главе представлены конструкции разработанного оборудования для проведения процессов мембранного разделения, повышающие эффективность разделения суспензий, обеспечивающие снижение энергопотребления работы оборудования, а также способствующие снижению действия такого пагубного явления, как концентрационная поляризация(рис. 13, 14).

Разработана экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном ре-

Рисунок 13 - Ультразвуковой мембранный элемент: 1 - пористый трубчатый каркас; 2 - подложка; 3 - мембрана; 4 - очистительный элемент; 5,6- подшипники скольжения; 7 - пьезоэлемент; 8, 9 - штуцера; 10, 11 - крышки; 12,13,14, 15 - уплотнения; 16, 17 - патрубки

жиме и разработан способ ее автомати-зация (рис. 15,16). Также приведен экономический расчет внедрения предложенной установки. Исходя из результатов расчета, срок окупаемости может составить не более 10 месяцев со дня внедрения.

а б

Рисунок 14 - Мембранный аппарат с вращающимися потоками: а) общий вид: 1 - патрубок ввода исходной жидкости; 2 - патрубок вывода очищенной жидкости; 3 - цилиндрическая обечайка; 4 - эллиптический верх; 5 - эллиптическое днище; 6 - фланец; 7 - ножки; 8 - фильтро-держатель; 9 - фильтрующие элементы; 10 - распределительное устройство; 11 - сопла; 12 - зажимная плита; б) схема работы: I - напорная зона;

И — зона преобразования скорости

Рисунок 15 - Экспериментальная установка: 1 -уровнемер; 2 - термометр; 3,5, 11, 13 - манометр; 4- частотный преобразователь; 6,10- расходомер; 7 — насос; 8 - фильтрационный аппарат; 9 — циркуляционная емкость; 12 - предохранительный клапан; 14 - кран для создания противодавления; 15 - емкость для щелочи;

16 - емкость для кислоты;

17-25 - кран

Рисунок 16 - Фильтрационный модуль: 1,8 — крышка; 2 - цилиндрическая обечайка; 3,7 - цилиндрическая пластина; 4,5 - трубная решетка; 6 - мембранный фильтр; 10-13 — прокладка; 19 — штуцер ввода разделяемой пищевой среды; 20 - штуцер вывода концентрата разделяемой пищевой среды

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Изучены реологические характеристики квасных суспензий при различных концентрациях, температурах и градиентах скорости сдвига, на основании которых был сделан вывод об их принадлежности к неньютоновским псевдопластичным материалам, течение которых описывается законом Оствальда де Виля.

2. Получены обобщенные реологические уравнения квасных суспензий при различных концентрациях, которые обладают инвариантностью и учитывают концентрацию молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также температуру суспензии.

3. По результатам исследований кинетических и гидродинамических закономерностей процесса микрофильтрационного разделения кваса, научно обоснован выбор мембранного фильтра с размером пор 0,4 мкм, при котором происходит полное удаление молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также определены параметры процесса: Рра5=0,115 МПа, Лср=0,005 м3/(м2-ч), ф=100 %.

4. Разработана математическая модель процесса образования слоя осадка на внутренней поверхности трубчатой керамической мембраны, позволяющая рассчитать величину динамической вязкости движущейся внутри канала трубчатой мембраны суспензии, сопротивление гелеподобного слоя, а также величину концентрационной поляризации в каждый момент времени.

5. Определены физико-химические свойства осветленного кваса, из чего следует, что полученный пищевой продукт не только соответствует требованиям ГОСТ Р 53094-2008, но и обладает присущими ему традиционными органолептическими показателями.

6. Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления кваса (патенты РФ 2367507, 2372974,2462298).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - массовый расход входящей в мембранный элемент жидкости, м3/ч; с0 - концентрация раствора, поступающего из циркуляционной емкости, м"3; Ск - конвективный поток полидисперсной фазы из центра к поверхности мембраны, м3/ч; Сд - поток из пограничного слоя, м3/ч; £ - пористость поверхности мембраны, т. е. отношение площади пор к площади мембраны; г - средний радиус пор, м\ ц - вязкость проникающей жидкости, Пас; т - фактор извилистости пор, который увеличивает длину пути; I - толщина мембраны, м; Ар - разность давлений по обе стороны мембраны, Па; £> - коэффициент диффузии

проникающего компонента в пограничном слое; Лс - разность концентраций в пограничном слое и в основном потоке, м"3/м;^смем -концентрация частиц, застрявших внутри мембранных пор, м"_; спов -концентрация поверхностного слоя, образованного за счет поляризационных явлений, м"3; р - плотность полидисперсной среды, кг/м ; д - скорость жидкости, м/с; S - площадь поверхности рассматриваемого сечения, м2; /?о6щ - общее сопротивление; Ямем, R3n, Rr, R„K - сопротивление мембраны, закупоренных пор, гелевого слоя и слоя повышенной концентрации, соответствнно; Ra - сопротивление, оказываемое адсорбированными внутри пор частицами; £мем - мембранная порозность; kporosity - коэффициент порозности мембраны; zw -напряжение сдвига, Па; dp - средний диаметр частиц дисперсной фазы, м; FT - тангенциальная сила, Н; FN - нормальная сила, Н; Fr -фрикционная сила, Н; FA - результирующая сила, Н; ks - корректировочный параметр; к* - проницаемость слоя осадка; ß - коэффициент трения; 1с л - адгезионный коэффициент (коэффициент Хамаке-ра); dr - гидравлический диаметр канала; Re - критерий Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля; а> - скорость жидкости вдоль мембранной оси, м/с; д - динамическая вязкость, Пас; КП - концентрационная поляризация.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Экспериментальные исследования процесса разделения квасов светлых на установке мембранной фильтрации [Текст] / И. Т. Кретов, Е. С. Попов, А. И. Потапов, Д. С. Попов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - URL: hUpi//www.science-education.ru/111-10175 (дата обращения: 27.09.2013).

2 Попов, Д. С. Исследование микробиологических и физико-химических свойств квасов живого брожения / Д. С. Попов // Современное общество, образование и наука: материалы Международной научно-практической конференции - Тамбов : Консалтинговая компания Юком, 2013. - Ч. 4. - С. 83 - 85.

3 Разработка ультразвукового мембранного аппарата для разделения жидких пищевых сред [Текст] / И. Т. Кретов, С. В. Шахов, А. И. Потапов, Е. С. Попов. В. В. Торопцев, Д. С. Попов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 3. - С. 23 - 24.

4 Кретов, И. Т. Экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме [Текст] / И. Т. Кретов, Д. С. Попов

// Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок». - 2011. - С. 202-204.

5 Пат. 122306 Российская Федерация, МПК В 01 О 63/06. Экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме [Текст] / Кретов И. Т., Потапов А. И., Попов Е. С., Попов Д. С., Шахов А. С.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. тех-нол. акад. -№ 2012108248/05 ; заявл. 05.03.2012; опубл. 27.11.2012.

6 Пат. 2462298 РФ, МПК В0Ш 65/08, ВОЮ 63/08, ВОЮ 69/06. Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами [Текст] / Кретов И. Т., Шахов С. В., Логинов А. В., Потапов А. И., Попов Е. С., Торопцев В. В., Березнев О. Г., Попов Д. С., Марков А. А. № 2011102728/05, заявл. 25.01.2011; опубл. 27.09.2012, Бюл. № 27.

7 Пат. 2379097 Российская Федерация, МПК В 01 О 63/06, 63/16. Мембранный аппарат с вращающимися потоками [Текст] / Кретов И. Т., Шахов С. В., Потапов А. И., Попов Е. С., Попов Д. С.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. -№ 2008137335 ; заявл. 17.09.08 ; опубл. 20.01.10, Бюл. № 2. - 13 с.

8 Пат. 2367507 Российская Федерация, МПК В 01 Э 63/16. Ультразвуковой мембранный элемент [Текст] / Кретов И. Т., Шахов С. В., Потапов А. И., Попов Е. С., Попов Д. С.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2008109447 ; заявл. 11. 03. 08 ; опубл. 20.09.09, Бюл. № 26. - 8 с.

9 Свидетельство № 2011615352 Российская Федерация. Обработка результатов моделирования процесса мембранного разделения суспензии в трубчатом канале с пористыми стенками [Текст] / Кретов И. Т., Шахов С. В., Шахов А. С., Потапов А. И., Попов Е. С., Попов Д. С., Пожидаева Е. А., Торопцев В. В. -№2010611282; заявл. 13.05.2010; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.07.2011.

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Подписано в печать 09.10.2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. пен. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 185

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

ПОПОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА

МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КВАСА С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кретов И.Т.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения................................................................................................7

Введение..............................................................................................................................................................9

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И

ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................11

1.1. Анализ рынка производства кваса....................................................................................11

1.2. Характеристика химического и микробиологического составов объекта исследования..................................................................................................................14

1.3 Болезни кваса .......................................................................................................................................17

1.4 Способы увеличения биологической стойкости кваса....................................20

1.5. Процессы мембранного разделения................................................................................23

1.5.1 Мембранная индустрия..................................................................................................23

1.5.2 Требования, предъявляемые к мембранам................................................25

1.5.3 Классификация мембран............................................................................................27

1.5.4 Характеристика стойкости мембран................................................................30

1.5.5 Структура и строение мембран и мембранных фильтров............32

1.5.5.1 Симметричные мембраны......................................................................33

1.5.5.2 Асимметричные мембраны....................................................................34

1.5.5.3 Керамические, металлические и жидкие мембраны ... 35

1.5.6 Мембранные модули......................................................................................................35

1.5.6.1 Кремниевые мембраны для первапарации..............................35

1.5.7 Применение мембранных процессов на предприятиях..................36

1.5.7.1 Осветление яблочного сока..................................................................36

1.5.7.2 Производство томатной пасты............................................................39

1.5.8 Концентрационная поляризация..........................................................................41

1.5.8 Гелевая поляризация........................................................................................................43

Основные выводы и постановка задач исследования..................................................45

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕМБРАН И КВАСА,

КАК ОБЪЕКТА ФИЛЬТРОВАНИЯ......................................................................................47

2.1 Объекты и методы исследования..........................................................................................47

2.2 Качество кваса........................................................................................................................................48

2.3 Определение физико-химических и органолептических

показателей кваса............................................................................................................................49

2.3.1 Определение общего числа микроорганизмов......................................50

2.3.1.1 Камера Горяева..................................................................................................50

2.3.1.2 Определение общего числа микроорганизмов

при помощи метода мембранной фильтрации............................51

2.3.2 Метод определения спирта........................................................................................53

2.3.3 Метод определения кислотности..........................................................................54

2.3.4 Метод определения сухих веществ..................................................................55

2.3.5 Метод определения стойкости кваса................................................................56

2.3.6 Метод определения органолептических показателей....................57

2.3.7 Метод определения двуокиси углерода........................................................58

2.3.8 Результаты исследования свойств исходного продукта..............59

2.4 Микробиологические исследования кваса................................................................62

2.4.1 Макроскопический анализ кваса на наличие

в нем микроорганизмов..................................................................................................62

2.5 Подбор мембран и конфигурации мембранных систем

для проведения процесса разделения кваса..........................................................64

2.5.1 Подбор размеров пор мембран..............................................................................64

2.5.2 Выбор схемы проведения процесса..................................................................66

2.5.3 Обоснование выбора материала мембран..................................................69

Выводы по главе............................................................................................................................................71

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

МЕМБРАННОЙ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ КВАСА............................................72

3.1 Описание экспериментальной установки....................................................................72

3.2 Экспериментальные исследования процесса микрофильтрации кваса 74

3.2.1 Исследование изменения качественных характеристик кваса

в процессе мембранной фильтрации..................................................................74

3.2.1.1 Исследование физико-химических свойств..............................74

3.2.1.2 Исследование микробиологических свойств..........................76

3.2.2 Исследование динамики процесса микрофильтрации кваса ... 79

3.2.2.1 Исследование изменения селективности

и проницаемости мембран в процессе фильтрации кваса .. 79

3.2.2.2 Регенерация мембранных элементов..............................................82

3.2.2.3 Исследование режимов фильтрования кваса........................85

3.3 Реологические исследования квасной суспензии................................................90

3.3.1 Описание объектов и методов исследования..........................................90

3.3.2 Анализ полученных результатов........................................................................92

3.3.3 Математическое описание реологии квасной суспензии............94

Выводы по главе............................................................................................................................................98

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ СЛОЯ ОСАДКА НА ВНУТРЕННЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЧАТОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ .. 100

4.1 Материальный баланс по полидисперсной среде................................................101

4.2 Запись дифференциальных уравнений для элементарного объема ... 104

4.3 Воздействие сил на частицу......................................................................................................108

4.4 Влияние параметров процесса фильтрации на производительность

и величину концентрационной поляризации..........................................................109

4.5 Анализ адекватности математической модели........................................................111

Выводы по главе............................................................................................................................................116

ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВНЕДРЕНИЯ................................ 117

5.1 Экспериментальная установка для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме..................................................... 117

5.2 Автоматизация экспериментальной установки для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред

в тангенциальном режиме................................................... 121

5.2.1 Разработка функциональной схемы установки мембранной

фильтрации................................................................ 121

5.2.1.1 Назначение, структура и функции автоматизированной системы управления............................................... 121

5.2.1.2 Описание функциональной схемы автоматизации...... 125

5.2.1.3 Общая структура КТС.......................................... 133

5.3. Разработка конструкции ультразвукового мембранного элемента ... 134

5.4 Разработка конструкции мембранного аппарата с вращающимися потоками.......................................................................... 136

5.5 Технико-экономические расчеты внедрения экспериментальной установки для лабораторных исследований процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме................. 142

5.5.1 Расчет капиталовложений в проект.................................. 142

5.5.2 Расчет дополнительных текущих расходов при реализации проекта...................................................................... 147

5.5.3 Расчет экономии текущих затрат при реализации проекта .... 149

5.5.4 Расчет годового экономического эффекта и показателя рентабельности капиталовложений (инвестиций)................ 150

Выводы по главе...................................................................... 153

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..................................................154

Библиографический список..............................................................................................................155

Приложения........................................................................................................................................................169

Основные условные обозначения в - массовый расход входящей в мембранный элемент жидкости, м3/ч;

-з

с0 - концентрация раствора, поступающего из циркуляционнои емкости, м ; - конвективный поток полидисперсной фазы из центра к поверхности

л

мембраны, м /ч; Сд - поток из пограничного слоя, м3/ч;

е - пористость поверхности мембраны, т.е. отношение площади пор к

площади мембраны; г - средний радиус пор, м; г] - вязкость проникающей жидкости, Па-с; т - фактор извилистости пор, который увеличивает длину пути; I - толщина мембраны, м;

Ар - разность давлений по обе стороны мембраны, Па;

Э - коэффициент диффузии проникающего компонента в пограничном слое; Дс - разность концентраций в пограничном слое и в основном потоке, м" /м; смем ~ концентрация частиц, застрявших внутри мембранных пор, м"3; спов - концентрация поверхностного слоя, образованного за счет

поляризационных явлений, м"3; р - плотность полидисперсной среды, кг/м3;

и д(х + с1х) - скорость жидкости до и после сечения, соответственно, м/с; 5 - площадь рассматриваемого сечения, м2; ^общ ~ общее сопротивление; Ямем - сопротивление мембраны;

Яг - сопротивление, оказываемое адсорбированными внутри пор частицами;

^зп - сопротивление закупоренных пор;

Яг - сопротивление гелевого слоя;

ЯиК - сопротивление слоя повышенной концентрации;

£мем - мембранная порозность;

kporosity ~ коэффициент порозности мембраны; tw - напряжение сдвига, Па;

dp - средний диаметр частицы дисперсной фазы, м;

FT - тангенциальная сила, Н;

FN - нормальная сила, Н;

Fr - фрикционная сила, Н;

Fy - результирующая сила, Н;

Fa - результирующая сила, Н;

ks - корректировочный параметр;

к* - проницаемость слоя осадка;

ju - коэффициент трения;

kFA

- адгезионный коэффициент (коэффициент Хамакера); Р - коэффициент массоотдачи от поверхности мембраны в центр трубчатого

канала (ядро потока); dv - гидравлический диаметр канала; Re - критерий Рейнольдса; Nu - критерий Нуссельта; Рг - критерий Прандтля;

а) - скорость жидкости вдоль мембранной оси, м/с; jа - динамическая вязкость, Па-с; КП - концентрационная поляризация.

Введение

Квас - это традиционный русский напиток. Содержание в нем полезных веществ значительно, в то время как у многих конкурентов кваса присутствуют красители и прочие добавки. В настоящее время прохладительные безалкогольные напитки занимают обширную нишу на рынке пищевых продуктов. Хотя российский рынок наводнен иностранными торговыми марками, но на фоне тенденции стремления современного человека к здоровому образу жизни, квас приобретает все большую актуальность.

Благодаря молочнокислому брожению, квас подобен по своему действию таким продуктам, как кефир и простокваша. Благодаря этому, а также благодаря наличию дрожжей в квасе, этот напиток благотворно влияет на организм. Пищевую ценность кваса определяют, в основном, углеводы.

Важной проблемой реализации кваса не только в домашнем регионе, но и при доставке на дальние расстояния, является малый срок годности продукта. В свете того, что потребление кваса в России на протяжении ряда последних лет характеризуется устойчивой тенденцией к росту и того факта, что большинство потребителей предпочитают покупать квас в пластиковых бутылках, решение этой проблемы является весьма актуальным.

Для увеличения срока биологической стойкости, в настоящее время, используют такой экономически неэффективный, высоко затратный процесс, как пастеризация, что при нынешних тенденциях развития энергосберегающих технологий не является рациональным. При этом уничтожаются, как минимум, все витамины, содержащиеся в квасе (Вь В2, РР, Б) и нередко такой квас обладает невысокими органолептическими качествами.

Одной из - причин ограниченного срока хранения кваса является незавершенное брожение и наличие в бутилированном напитке, в том числе в квасе в кегах, дрожжей и молочнокислых бактерий. Известно, что квасные

дрожжи имеют минимальный размер 6 мкм (9-11x6-8 мкм), а молочнокислые бактерии расы 11 имеют минимальный размер 0,5 мкм (1,2-2,1x0,5-0,6 мкм). Таким образом, возможно применение такого процесса, как мембранная фильтрация, которая позволит устранить нежелательные для биологической стойкости компоненты без термической обработки. При этом все остальные компоненты, содержащиеся в квасе и формирующие его вкусовые и питательные качества, остаются в полной мере.

Осветление кваса, представляющее собой, в основном, удаление дрожжей и молочнокислых бактерий, с одной стороны, является решающим фактором для увеличения объема выхода продукта (т. е. для повышения рентабельности производства), поскольку при высоком содержании сухого вещества в удаляемых дрожжах снижаются потери конечного продукта, а, с другой -осветление кваса важно для увеличения длительности хранения продукта.

Таким образом, целью диссертационной работы является определение наиболее рациональных энерго - и ресурсосберегающих параметров процесса мембранного разделения и аппаратов, позволяющих снизить явление концентрационной поляризации и способных обеспечить эффективное осветление кваса с целью увеличения срока биологической стойкости.

В соответствии с поставленной целью, возникает необходимость решить следующие задачи:

- исследование основных свойств кваса;

- исследование процесса мембранного разделения кваса;

- разработка и анализ математической модели процесса мембранного разделения суспензии кваса;

- разработка и создание экспериментальной установки для мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме;

- оценка экономической эффективности и целесообразности внедрения предлагаемой экспериментальной установки;

- разработка инновационных способов и оборудования для мембранного осветления кваса.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ рынка производства кваса

В настоящее время обширную нишу на рынке пищевых продуктов занимают прохладительные безалкогольные напитки. Ассортимент предлагаемых видов продукции разнообразен и способен удовлетворить самых требовательных покупателей (рис. 1.1) [38]. Но, рассматривая прохладительные напитки с точки зрения влияния на здоровье человека, следует отметить, что значительную долю рынка занимают окрашенные напитки.

ГНО м „

9а -) о/ Холодный чаи

Coca-Cola - - 16.86%

36,89 %

Лимонад 15.17 %

Прочие Тоники 1,63% 3,97%

Рисунок 1.1 - Объемы продаж безалкогольных напитков

Хотя российский рынок наводнен иностранными торговыми марками, на фоне тенденции стремления современного человека к здоровому образу жизни квас приобретает все большую актуальность. Квас - это традиционный русский напиток с приятным вкусом, который утоляет жажду и освежает в жаркий день. Содержание в нем полезных веществ значительно.

Квас

5,28 %

в то время как у многих конкурентов кваса присутствуют красители и прочие добавки [19,20,50].

Потребление кваса в России на протяжении ряда последних лет характеризуется устойчивой тенденцией к росту (рис. 1.2). Доля кваса в сегменте безалкогольных напитков остается достаточно небольшой, как и его потребление на душу населения, что означает высокий потенциал и возможность столь же бурного развития в будущем. Так, темпы увеличения потребления кваса россиянами, наблюдаемые в последние годы, позволяет экспертам выдвигать предположения о том, что через пять лет потребление кваса в России может сравняться с потреблением «Кока-колы» и «Пепси-колы» [38, 81].

О

2004 2005

— 2007 7ПП8 __

2010 20П

2006 2007 7ПП8 _ 200« 2009

2012

Рисунок 1.2 - Динамика продаж кваса в России, млн. дал

Квасом в России занимается около 500 компаний, но более 50% рынка занимает всего 2 компании - «Очаково» и «Дека» (рис. 1.3). При всей многолетней истории и традиционности этого исконно русского напитка,

вышеназванные компании, в последнее время, сместили фокус с национальных мотивов на уместность потребления кваса в любой ситуации. Именно поэтому на полках все чаще можно увидеть не только ПЭТ бутылки, но и алюминиевые банки с квасом. Также можно отметить тенденцию производства квасов по новой технологии и с новыми вкусами [28, 31,61].

Coca-Cola Остальные

(ГМ "Кружка и бочка") (5%) "Очаково"

(2 %) (4з о/о)

" I омское пиво"

(ТМ "Благодей") (5 %)

"Бородино" (ТМ "Старый квас") (7 %)

"Эжен Бужеле Вайн" (ТМ "Першинъ") "Дека" (ТМ "Никола")

(14,0%) (24%)

Рисунок 1 3 - Доли рынка кваса в 2012 г.

Помимо увеличения объемов производства кваса действующими производителями, росту рынка во многом способствует выход новых игроков. В 2008 г. наиболее значимым событием, связанным с развитием квасного рынка, стало начало выпуска кваса под маркой «Кружка и бочка» компани�