автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса поточной кристаллизации лактозы в молочной сыворотке

На правах рукописи

БРЕДИХИН АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОТОЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛАКТОЗЫ В МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКЕ

Специальность: 05.18.12-Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

Москва 2015 год

005566659

005566659

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности» (ФГБНУ «ВНИМИ»).

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Червецов Виктор Владимирович Петров Сергей Михайлович

доктор технических наук, профессор, ООО «Новые технологии - Пром», директор по инновациям

Золотии Александр Юрьевич

кандидат технических наук, Федеральное государственное научное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский

институт детского питания» (ФГБНУ «НИИДП»), начальник отдела аграрно -пищевых и частных технологий Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ВГУИТ)

Защита состоится н/г/ » •Л 2015 г. в /'г: Ю часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.021.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности имени В.М. Горбатова» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ «ВНИИМП имени В.М. Горбатова» и на сайте www.vniimp.ru.

Автореферат разослан «¿V » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Н. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Кристаллизация лактозы является важнейшим технологическим процессом переработки сухой молочной сыворотки. Увеличение объёмов переработки сухой молочной сыворотки и получения лактозы в виде промышленного продукта — молочного сахара и его производных повышает актуальность исследований, направленных на изучение процесса кристаллизации лактозы.

В настоящее время кристаллизацию лактозы в молочной сыворотке проводят в основном в аппаратах периодического действия. Это снижает качество процесса кристаллизации, обусловленное отсутствием автоматизации, управляемости и обеспечения однородной дисперсности кристаллов лактозы. Техническая реализация кристаллизации в аппаратах непрерывного действия позволяет добиваться устранения большей части этих недостатков.

Поточная кристаллизация лактозы в сгущенной молочной сыворотке развивается в сложных гидродинамических условиях и широком температурном диапазоне. Реализация кристаллизации лактозы молочной сыворотки в аппаратах непрерывного действия позволяет сократить энергозатраты, уменьшить производственные площади и металлоемкость используемого оборудования, получить однородные кристаллы лактозы, размер которых в 3-4 раза меньше, чем при кристаллизации в аппаратах периодического действия.

Благодаря аналитическим и экспериментальным исследованиям, выполненным Гнездиловой А.И., Евдокимовым И.А., Кивенко C.B., Полянским К.К., Страховым В.В., Фиалковым А.Н., Фиалковой Е.А., Червецовым В.В., Храмцовым А.Г., Гиббсом Д., Кюри П., Pepples M.L., Spreer Е., Walsira Р. и другими разработаны научные основы кристаллизации лактозы в лактозосодержащем сырье и концепция создания технологии переработки лактозы.

Вместе с тем, сложность явлений, протекающих при кристаллизации лактозы в молочной сыворотке, и недостаточность по этой причине полноты и чёткости физических представлений о механизме переноса теплоты при кристаллизации, затрудняет его аналитическое описание, создание обобщённой теории и совершенствование процесса. До настоящего времени недостаточно изучены кинетические закономерности охлаждения молочной сыворотки при поточной кристаллизации в ней лактозы с учётом изменяющихся вязкостных свойств при увеличении массовой доли сухих веществ. Отсутствуют данные о влиянии гидродинамики в аппарате и температуры нагревания молочной сыворотки на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер. Нет единого подхода к анализу механизма передачи теплоты при кристаллизации, недостаточное развитие получило аналитическое описание закономерностей внутреннего переноса теплоты. Изложенное свидетельствует о необходимости дальнейшей разработки и развитии теоретических и экспериментальных положений и закономерностей процесса поточной кристаллизации лактозы в молочной сыворотке.

Диссертационная работа выполнялась в период 2012-2015 г. в Федеральном государственном научном бюджетном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности» (ФГБНУ «ВНИМИ») в рамках бюджетных и хоздоговорных тематик и является дальнейшим продолжением и развитием теоретических и экспериментальных исследований, проводимых лабораторией молочных консервов института.

Целью работы является разработка поточного процесса кристаллизации лактозы в пластинчатом скребковом теплообменном аппарате на основе кинетики температурных изменений сгущённой молочной сыворотки.

Для достижения поставленной цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:

— провести анализ физико-химических явлений теплообмена при кристаллизации лактозы в потоке с учётом вязкостных свойств сгущённой молочной сыворотки;

— разработать математическую модель переноса теплоты в потоке при осесимметричном распределении температуры в сгущённой молочной сыворотке без учета диссипации энергии при кристаллизации в ней лактозы;

— исследовать закономерности изменения температуры массовой кристаллизации лактозы и определить количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние;

— определить влияние частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата (далее РПА) на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер;

— установить влияние температуры нагревания на средний размер кристаллов лактоз ы;

— разработать инженерную методику расчёта пластинчатого скребкового теплообменника непрерывного действия для кристаллизации лактозы молочной сыворотки на основе кинетики её температурных изменений.

Научная новизна выражается в:

— разработанной математической модели переноса теплоты в потоке при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии и получении выражения, позволяющего определять температуру движущейся сгущённой молочной сыворотки при кристаллизации в ней лактозы;

— получении новых данных об изменении температуры массовой кристаллизации лактозы молочной сыворотки в зависимости от содержания в ней сухих веществ и влиянии гидродинамического воздействия на количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние;

— установлении экспериментальных закономерностей влияния температуры охлаждения и частоты вращения рабочих органов РПА на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер.

Научные положения, выносимые на защиту. Формой реализации поставленных в работе задач являются следующие научные положения, защищаемые в диссертации:

- разработанная математическая модель переноса теплоты в потоке при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии и с учётом вязкостных свойств сгущённой молочной сыворотки при кристаллизации в ней лактозы;

экспериментальные данные по температуре массовой кристаллизации лактозы молочной сыворотки при различном содержании в ней сухих веществ и количеству лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние;

- закономерности влияния частоты вращения рабочих органов РПА на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер;

- инженерная методика расчёта пластинчатого скребкового теплообменника непрерывного действия при кристаллизации лактозы молочной сыворотки на основе кинетики её температурных изменений.

Практическая значимость работы. Научные исследования нашли применение в разработанной инженерной методике расчёта скребкового теплообменника непрерывного действия при кристаллизации лактозы молочной сыворотки на основе кинетики её температурных изменений, которая была апробирована и реализована в скребковом теплообменнике непрерывного действия, испытанном в ОАО «Учебно-опытный молочный завод» ВГМХА им. Н.В.Верещагина».

Методика инженерная расчёта скребкового теплообменника непрерывного действия передана в ФГУП «Молмаш» ФАНО России для использования при разработке и модернизации соответствующего оборудования.

Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в учебном процессе при проведении лекционных, практических занятий, курсовом и дипломном проектировании при подготовке студентов ФГБОУ ВПО МГУПП специальности 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств» и направлениям подготовки 151000.62 (уровень бакалавриата) и 151000.68 (уровень магистратуры).

Проведены аналитические исследования гидродинамики и переноса теплоты в пластинчатом скребковом теплообменнике при исследовании процесса поточной кристаллизации лактозы в молочной сыворотке.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на конференциях и семинарах различного уровня: Международная научно-техническая конференция «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям, Воронеж — 2012; X Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва - 2012; VI Международная научно-практическая конференция «Технология и продукты здорового питания», Москва - 2012; Международная научно-техническая конференция «Производство продуктов для здоровья человека - как составная часть наук о жизни», Воронеж - 2012; Всероссийская научно-практическая

конференция «Новые технологии и оборудование - основа успеха работы молочной промышленности в условиях ВТО», Адлер - 2012; Всероссийская юбилейная научная конференция, посвященная 125-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова «Научное наследие Н.И. Вавилова и современность», Москва — 2013;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе одно учебное пособие, 7 в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной текст изложен на 96 страницах машинописного текста, содержит: 5 таблиц, 25 рисунков. Список литературы включает 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и целесообразность исследований, сформулированы цель и задачи работы, охарактеризована её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе даётся анализ современного состояния исследований кристаллизации лактозы молочной сыворотки. Дан обзор основных теорий кристаллообразования. Молочная сыворотка рассмотрена как объект кристаллизации лактозы. Проанализированы закономерности кристаллизации пищевых растворов. Проведён обзор и анализ конструкций современных аппаратов для кристаллизации.

Анализ литературных источников по исследованиям кристаллизации лактозы молочной сыворотки показал, что теоретический и экспериментальный материал по изменению температуры молочной сыворотке в потоке при кристаллизации весьма ограничен и разрознен. Недостаточно сведений о влиянии температуры сгущённой молочной сыворотки во взаимосвязи с её вязкостными свойствами при кристаллизации лактозы в потоке, что усложняет расчёты теплопередающей поверхности аппарата непрерывного действия для кристаллизации, отсутствуют данные о воздействии температуры и гидродинамики в аппарате на рост и средний размер кристаллов лактозы. По результатам анализа и обобщения литературных данных сформулированы научно-методический подход. направление, цель и задачи исследований.

Вторая глава рассматривает методический подход к выполнении исследований, который основан на разработанной общей схеме исследование (рис. 1). Настоящая модель состоит из комплекса последовательных I взаимосвязанных этапов выполнения, анализа и обобщения исследований по разработке и исследованию процесса кристаллизации лактозы в сгущённой молочной сыворотке в потоке. Общий методический подход к выполнении исследований состоял в следующем: исследовании закономерностей теплообмен; при кристаллизации лактозы в потоке; влиянии температуры охлаждения н; кристаллизацию лактозы сгущённой молочной сыворотки во взаимосвязи г температурой хладоносителя и площадью теплопередачи аппарата; изученш

температуры массовой кристаллизации лактозы; определении количества лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние; исследовании влияния частоты вращения рабочих органов РПА на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер; разработке методики инженерного расчёта пластинчатого скребкового теплообменного аппарата; разработке номограмм для определения площади теплопередачи пластинчатого скребкового аппарата.

Рис. 1. Общая схема исследований

Третья глава посвящена аналитическому исследованию закономерностей теплообмена при кристаллизации лактозы сыворотки в потоке. Подход к

изучению закономерностей теплообмена при кристаллизации лактозы в сыворотке в потоке основан на преемственности основных теоретических положений теорий теплопередачи и гидродинамики для реологически сложных сред, развитых в работах Алексеева Г.В., Антипова С.Т., Бражникова A.M., Гинзбурга A.C., Барановского Н.В., Ивашова В.И., Кошевого Е.П., Лыкова A.B., Лыковой A.B., Маслова A.M., Острикова А.Н., Филипенко Б.П., Червецова В.В., Шульмана З.П., Broun DJ., Pepples M.L.,Spreer Е., Walstra P., Jenness R. и других ученых.

Анализ литературных источников и собственные предварительные исследования позволили предложить развитие физической модели процесса кристаллизации (рис. 2). Сыворотка, в соответствие с физической моделью рассматривается как многокомпонентная полифункциональная биологически активная система, изменяющая свои свойства под воздействием внешних условий. Сыворотка с массовой долей сухих веществ 50-60 % в нормальных условиях представляет собой насыщенный раствор, который при охлаждении переходит в пересыщенный раствор и при определённой температуре охлаждения в нём происходит образование кристаллов лактозы и начинается процесс кристаллизации.

Известно, что высококонцентрированные лактозосодержащие растворы, такие как сгущённая молочная сыворотка, в зависимости от температуры ведут себя как псевдопластичные жидкости, не имеющие предела текучести, и отличаются снижением кажущейся вязкости с увеличением скорости сдвига. Для описания течения таких жидкостей применяют уравнение Оствальда-де Виля

т = ку11, (1)

где т— напряжение сдвига. Пас; к- опытный коэффициент; у—скорость сдвига, с"1; п- индекс течения (я<1- для псевдопластичных жидкостей).

При аналитическом исследовании руководствуемся следующими общими допущениями: изменение температуры сыворотки при кристаллизации в ней лактозы изучаем для одной теплообменной пластины; объем продукта, находящейся в продуктовой зоне теплообменной пластины имеет вид цилиндрического тела малой высоты (диск); сыворотку рассматриваем как псевдопластичную жидкость, течение которой внутри теплообменной пластины при её охлаждении и кристаллизации лактозы ламинарное, неизотермическое при постоянном расходе без нарушения сплошности потока; сыворотка в аппарате может подаваться как в центральное отверстие пластины и двигаться на периферию, так и, поступая через периферийные отверстия пластины, перемещаться в сторону центра; распределение температуры в сыворотке равномерное и не зависит от способа её подачи в теплообменную пластину.

I. °С

и. св

Рис. 2. Физическая модель процесса кристаллизации:

а) схема физической модели: Гмк. 4- - температура, соответственно, начальная, массовой кристаллизации, конечная; СВ — массовая доля сухих веществ; Г — площадь теплопередающей поверхности аппарата; 1 - сгущенная молочная сыворотка; 2 - кристаллы лактозы; 3 - межкристаллическая жидкость (меласса);

б) микрофотографии сгущённой молочной сыворотки при температуре: I -55 °С и II -37 °С: 1 - размерная линейка; 2 - сгущенная молочная сыворотка; 3 -кристаллы лактозы; 4 - межкристаллическая жидкость (меласса)

Исследования изменения температуры сыворотки в теплообменной пластине проведено с помощью дифференциальных уравнений переноса теплоты в движущихся жидких средах, записанных в цилиндрической системе координат при осесимметричном распределении температуры, без учета диссипации энергии

дТ дТ (д2Т

дТ

- у — = а - &

1 дТ д2Т ■ +

(2)

Сг б! \ (Ж~ г дг 5г2 '' где Г - температура в точках сыворотки, °С, г и г - цилиндрические координаты точки продукта, и V. - проекции скорости точек продукта на оси г иг, а-коэффициент температуропроводности, м"/с.

Канал для течения сыворотки имеет сложную форму (рис. 3) поэтому | полагаем, что осевая скорость сыворотки V, значительно меньше радиальной V, и \

дТ )

окружной Уу скоростей, поэтому в уравнении (2) положим V. — « 0. Радиальную :

скорость V,. определяем дифференциальным уравнением стационарного1 осесимметричного течения несжимаемой нелинейно-вязкой жидкости, полагая в ! нем реологические константы и плотность продукта р не зависящими от температуры для данной теплообменной пластины. Для этого запишем общее дифференциальное уравнение осесимметричного стационарного течения сплошной среды в напряжениях в проекции на радиальное направление г

от> д\>

V —г- + V.-^

дг дг

г р\ дг

О)/

О! Г I (

I

где Тгг,Т(1нр— нормальные напряжения на площадках перпендикулярных; соответственно радиальной г и окружной (р осям, тг_— касательное напряжение1; на площадках перпендикулярных осям г и

ПйО^кт

Рис. 3. Схема для расчёта: 1 — продуктовые пластины; 2 — центральное отверстие; 3 — периферийные отверстия; 4 - линии тока сыворотки; х, у, г — оси координат; к - расстояние; между центрами дисков; Д, и Я2 — расстояние центров выходных отверстий от| центров дисков

Реологические исследования сыворотки с массовой долей сухих веществ 50-65 % позволяют с большой точностью принять в качестве ее реологической модели степенную модель Оствальда-де Виля. Для такой модели компоненты тензора напряжений, входящие в уравнение (2), при сделанных ранее предположениях имеют вид

г„ = -р + 2к\нГ = -р + 2к\нГ Г„ = к\Н\-1 (4)

СГ Г 02

где к и п— реологические константы сгущённой молочной сыворотки, Н— интенсивность скоростей деформации равная

дг

V

V

''У

+

' дг

+ -

1 ( ОТ

V

41 дг

(5)

Величина А:|//[" ' может рассматриваться как некоторая кажущаяся

(эффективная) вязкость.

Уравнение неразрывности (несжимаемости) справедливое для любой жидкой среды при сделанных предположениях имеет вид

зЮ

дг

= 0.

Интегрируя уравнение (5) находим V, =-/(*).

(6)

(7)

На основании равенства (7) для интенсивности скоростей деформации Н из (5) получим выражение

Н -

/(-)У, (/'(-*)

г

\ У

(8)

где штрих во втором слагаемом подкоренного выражения и далее означает производную по координате г.

Оценим порядки слагаемых в подкоренном выражении формулы (8), приведя ее к безразмерному виду и преобразовав, получим, что интенсивность скоростей деформации (8) будет иметь вид

Н

V. /г

г \

т

-+

т

(9)

Так как в формуле (9) подкоренное выражение приведено к безразмерной форме, то порядки слагаемых в этом выражении будут определяться порядком коэффициентов при этих слагаемых. На этом основании интенсивность скоростей деформации (8) запишется как

А*)

н =

2 г

=¿1 т

(10)

В этом случае с учетом (7) соотношения (4) примут следующий вид

-.-р-2к

ГЬ)

2 г

,=-р + 2А-

г =* Л=)

1г г' 2 г г

(Н)

Так как сыворотка принудительно вращается, то окружная скорость её точек не больше величины Ф г, где со - угловая скорость лопастей мешалки. Поэтому

примем эту величину за окружную скорость , т.е. г»(, = ыг. Подстановка

выражений компонент тензора напряжений из (11) и окружной скорости V, при

условии V, «О в уравнение (3) приводит это уравнение к следующему виду

г р дг\

Выражение в левой части равенства (12) значительно меньше каждого из слагаемых в его правой части. Это следует из оценок, сделанных аналогично оценкам в формуле (8). После преобразования уравнение (12) запишется как

При этом считается, что давление р не зависит от поперечной коорщшаты 2. В дальнейшем, в силу симметрии профиля радиальной скорости относительно срединной плоскости дисков, будем при гидродинамических расчетах

рассматривать область о < т < —. Для этой области лщ>г/'(2) = 1.

2

В результате решения уравнения получены выражения для давления р{г) и функции:

И^ —л,

(14)

/00=-

п +1

(15)

Для полного гидродинамического расчета теплообменника при кристаллизации лактозы представляется важным получить зависимость между перепадом давления ру - р2 на входе и выходе сыворотки из данной теплообменной пластины и расходом сыворотки <7, используя формулу:

А

д = 47Тг]\\сЬ. Подставив в эту формулу выражение \\с учетом (15) и интегрируя,

о

получим

а = 2тгИ ~П ( — 1 2и + Н2

к {К"

(16)

Таким образом, формула (16) позволяет определять расход сыворотки в зависимости от разности давления на входе и выходе из теплообменной пластины, т.е. с учётом гидравлического сопротивления теплообменных пластин секций аппарата.

дТ

Температуру в сыворотке определим по уравнению (2) с учетом —

Для этого подставим в левую часть данного уравнения выражение радиальной скорости (7) и разделим его левую и правую части на коэффициент температуропроводности а. После этого получим

/(г)1ЭГ д2Т 1 дТ д2Т

--= —_ +--+ —г- (17)

г а дг дг~ г дг дг~

Поскольку точного аналитического решения данного уравнения получить нельзя воспользуемся приближенным решением, заключающемся в частичном осреднении его левой части по толщине зазора между дисками и использовании метода последовательных приближений. В результате решения получим выражение

7-1 -

Л*. =) ■= -ТТГГГ10 & - 7з - {т, -Т.) созу »;

1 2 В/г ' у п'

хр вт

/г И

(18)

Формула (18) применена для расчета температуры охлаждения сыворотки при кристаллизации в ней лактозы, как при центральном способе её подачи, так и при периферийном способе подачи в продуктовую зону аппарата. В первом случае < /?2 , Рх > Р2, а во втором случае наоборот /?, > Я2, Р, < А.

В четвёртой главе приведены результаты исследований закономерностей кристаллизации лактозы молочной подсырной сыворотки в потоке на экспериментальной установке (рис. 4) в ОАО «Учебно-опытный молочный завод» ВГМХА им. Н.В. Верещагина.

Объектом исследований являлась восстановленная до 50-60 % содержания сухих веществ молочная подсырная сыворотка с начальной температурой 60-65 °С и пластинчатый скребковый трехсекционный теплообменник.

Экспериментально исследованы закономерности изменения температуры массовой кристаллизации лактозы и определено количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние в зависимости от температуры и наличия затравки. Зависимость температуры массовой кристаллизации лактозы от массовой доли сухих веществ в сыворотке приведена на рис. 5.

Определено, что с увеличением массовой доли сухих веществ в сыворотке температура массовой кристаллизации лактозы увеличивается.

Рис. 5. Зависимость температуры массовой кристаллизации лактозы от массовой доли сухих веществ в молочной сыворотке

на сушку

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1. 8, 14 - емкости, соответственно приемная, для затравки, буферная; 2, 9, 15 — насосы подачи, соответственно молочной сыворотки, затравки, продукта на сушку; 3, 4, 5, 13 — пластинчатый скребковый теплообменник, соответственно первая секция охлаждения, вторая секция охлаждения, секция нагрева; 6 — РПА: 7 - щит управления; 10 — термометр сопротивления; 11 — манометр с разделительной мембраной; 12-струйный смеситель

Температура является одним из важных параметров, влияющих как на образование кристаллов лактозы в сыворотке, так и на их растворимость. Были проведены исследования влияния температуры на количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние.

Определено, что с понижением температуры сыворотки количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние (кристаллизовавшейся лактозы), увеличивается. При повышении содержания сухих веществ количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние, повышается

Опыты были проведены с внесением затравки и без. Результаты исследований приведены в таблице 1. Как видно из таблицы значительной разницы по количеству кристаллизовавшейся лактозы не наблюдается, в связи с этим был сделан вывод, о том, что при поточной кристаллизации лактозы нет необходимости вносить затравку. Это повышает эффективность проведения процесса кристаллизации лактозы молочной сыворотки в промышленных условиях.

Таблица I

Количество кристаллизовавшейся лактозы, %

Сев, % ^^^ 1, °С с затравкой без затравки

12 37 37 60 12 37 37 60

50 37 И 7 0 36,9 10,8 7 0

12 42,5 42,5 60 12 42,5 42,5 60

55 50 12 8 0 50 11,9 8 0

12 47 47 60 12 47 47 60

60 64 13 9 0 63.7 13 8 0

В теплообменнике непрерывного действия кристаллизация лактозы сыворотки происходит в сложных гидродинамических условиях. Экспериментально определено влияние частоты вращения рабочих органов РПА на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер. Частота вращения рабочих органов РПА изменялась в процессе исследований от 9,6 с"1 до 16 с"'. Результаты исследований представлены на рис. 6.

Определено, что в пробе сыворотки после РПА количество кристаллов в 1,5 раза меньше чем на выходе из второй секции аппарата. Это объясняется тем, что сыворотка во второй секции продолжает охлаждаться и идёт образование новых кристаллов. Микрофотографии кристаллов лактозы после РПА и на выходе из второй секции аппарата показаны на рис. 7.

Исследовано влияние частоты вращения рабочих органов РПА на средний размер кристаллов. Анализ опытов (рис. 8) показывает, что с увеличением частоты вращения рабочих органов РПА очевидно уменьшение среднего размера кристаллов лактозы при разной массовой доле сухих веществ молочной сыворотки. При прохождении через РПА (частота вращения от 9,6 с"1 до 16 с"1) средний размер кристаллов уменьшается от 8,3 мкм до 6,6 мкм, при массовой доле сухих веществ 60 %. Дальнейшее уменьшение среднего размера кристаллов во второй секции аппарата происходит за счет быстрого охлаждения молочной

сыворотки при температуре от 37 "С до 12 °С. Средний размер кристаллов за время нахождения во второй секции уменьшается от 6,6 мкм до 5,2 мкм.

К■ Ю-4, шт./мм3 78 68

а)

/

48 38 28 18

10

13

14

16 я,С"'

К■ 10"4Т шт./мм3 155 145 135 125 115 105 95

б)

:......-г...........1............ .................'7..........'1.................... 1

у л

/ V/

- —

12 13 14 15 •50% СВ---55% СВ ---60% СВ

16 п. с-1

Рис. 6. Зависимость количества кристаллов (К) от частоты вращения рабочих органов РПА: а) после РПА; б) на выходе из второй секции.

а)

б)

Рис. 7. Микрофотографии кристаллов лактозы сыворотки: а) после РПА; б) на выходе из второй секции аппарата: 1 - меласса; 2 - кристалл; 3 - линейка

Рис. 8.3ависимость среднего размера кристаллов {Оср) от частоты вращения рабочих органов РПА: а) после РПА; б) на выходе из второй секции

Исследованиями предусматривалось два этапа предварительной кристаллизации лактозы в сгущенной молочной сыворотке: охлаждение до температуры 37 - 38 °С с последующей подачей на сушку в потоке; охлаждение сыворотки в аппарате до температуры 12 °С, после этого сыворотка собирается в буферной емкости. Из буферной емкости сыворотка подается в третью секцию нагревания аппарата, где нагревается до температуры 40-45 °С и далее сгущенная молочная сыворотка подается на сушку.

Исследовано влияние температуры нагревания сыворотки на средний размер кристаллов лактозы. Результаты приведены на рис. 9.

Показано, что нагрев сыворотки, после кристаллизации в ней лактозы (12 °С), до температуры 35-38 °С, приводит к незначительному уменьшению размеров кристалла в среднем с 6,6 мкм до 5,2 мкм. Это позволяет сделать вывод, что в

технологии сухой молочной сыворотки, перед сушкой сыворотку можно: предварительно подогревать (до 40-45 °С), без существенного уменьшения; среднего размера кристаллов лактозы (30-35 %). При нагревании до 37 происходит уменьшение среднего размера кристаллов не более чем на 20-25 %. •

Д.,,, мкм

6 5 4

12 1.0 С

37 1.0 С

45 1,0 С

Рис. 9. Диаграмма зависимости среднего размера кристаллов (Оср) от температуры;

нагревания !

Пятая глава посвящена практической реализации результатов исследования.1 На основании проведённых исследований разработана методика инженерного, расчёта пластинчатого скребкового теплообменника для кристаллизации лактозы1 сыворотки в потоке. Основной целью методики инженерного расчёта является определение площади теплопередачи аппарата. Методика включает в себя дв?< основных этапа: 1 — расчет температуры стенок каждой теплообменной пластины:? 2 - расчет температуры сыворотки на выходе из аппарата.

Температуру стенок теплообменной пластины или температуру хладоносителя найдем приближенно, считая, что она одинакова по всей площади1 данной теплообменной пластины. Для этого используем формулу, аналогичную^ формуле В.Г. Шухова, применимую для расчета температуры жидкости, текущей; в круглой прямой трубе с нагретыми стенками :

где/? =

2

25 К СрРЧ;

(19 (20

/-средняя длина канала для хладоносителя в каждой теплообменной пластине, 5 - средняя площадь сечения канала для хладоносителя в каждой теплообменной пластине, К- коэффициент теплопередачи, р- плотность хладоносителя, ср~

теплоемкость хладоносителя при постоянном давлении, Ти и Т21 -соответственно температура сыворотки на входе в пластину с номером /, и температура сыворотки на выходе из этой пластины, 7"Г,_1- температура

Т +Т-,

хладоносителя на входе в /'- тую пластину, '' 21 - средняя температура

сгущённой молочной сыворотки в каждой теплообменной пластине, дх~ расход хладоносителя.

Коэффициент р не может быть рассчитан по формуле (20) поскольку для каналов сложной формы коэффициент теплопередачи К может быть определен

01

только экспериментально. Поэтому определим весь комплекс ——, входящии

п

множителем в показатель экспоненты (19), задавшись температурой хладоносителя в какой-либо теплообменной пластине. Проще всего это сделать для первой теплообменной пластины/= 1 (нумерация теплообменных пластин по ходу течения сыворотки). С учётом этого из (19) получим уравнение для

Р1

определения комплекса--

/ ( 2Д

(21)

й ^ 2Тх0-Тп-Т21) в котором температура сыворотки Т21 на выходе из первой теплообменной пластины рассчитывается по формуле (18) при г = Я2, Т3 =Т4 = 7'у| = ТхП ± Д, Тх=Тп и осреднении функций, зависящих от г по толщине зазора между дисками. Знак плюс соответствует случаю прямотока, а знак минус - случаю противотока.

На основании (21) формула (18) примет вид

7, =Ъф.+(т„ I, (22)

? 1Т _т

А А ** хО 'и '21,

по которой можно приближенно найти температуру стенок для теплообменных

пластин/= 1,2,...ДО.

Далее формулу (18) преобразуем так, чтобы с ее помощью можно было бы

найти температуру сыворотки на выходе из любой теплообменной пластины.

После этого преобразованная формула примет следующий вид

У я' ... 4 2 В' /г

¡е-К-^^-К)

гви- ^ у л1

'¡я

По формуле (23) последовательно подсчитывается температура на выходе из любой теплообменной пластины, начиная с первой по ходу течения сыворотки. Подсчет прекращается для такого / = N, при котором температура сыворотки на выходе из этой теплообменной пластины станет равной заданной конечной температуре Т2К. Численные расчеты проведены в прикладном вычислительном

пакете МАТНСАЭ.

На основе проведенных исследований разработаны номограммы для определения площади теплопередачи пластинчатого скребкового теплообменника непрерывного действия при кристаллизации лактозы молочной сыворотки.

Номограммы разработаны для определения площади теплопередачи пластинчатого скребкового теплообменника непрерывного действия при кристаллизации лактозы молочной сыворотки с массовой долей сухих веществ 50-60 %, начальной температуры 50-60 °С, кратности хладоносителя 2-4.

Выбор параметров и их диапазон при разработке номограмм был определён с учётом свойств сгущенной молочной сыворотки, реальных условий производства и режимных параметров процесса кристаллизации лактозы.

Пример номограммы для расчёта площади теплопередачи первой секции аппарата приведён на рис. 10.

Особенность номограмм заключается в следующем. При разработке номограмм для первой секции температура сгущённой молочной сыворотки на выходе из первой секции соответствует температуре массовой кристаллизации лактозы. Температура массовой кристаллизации лактозы была определена экспериментально и подтверждена производственными испытаниями.

При построении номограмм для второй секции температура сгущённой молочной сыворотки соответствует температуре сгущённой молочной сыворотки на выходе из первой секции.

Рис. 10. Номограмма для определения площади теплопередачи первой секции аппарата при массовой доле сухих веществ 50 % в молочной сыворотке и кратности циркуляции хладоносителя: 2- кривые 1,5,9,13; 2,5 - 2,6,10,14; 33,7,11,15; 4 - 4,8,12,16.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе комплексного подхода к физико-химическим явлениям в тепломассобменных процессах дано развитие физической модели изменения температуры сгущённой молочной сыворотки при кристаллизации в ней лактозы в потоке с учётом вязкостных свойств сыворотки;

2. На основе физической модели разработана математическая модель переноса теплоты в потоке при осесимметричном распределении температуры в сыворотке без учета диссипации энергии для кристаллизации в ней лактозы, и получены выражения для определения изменения температуры сгущенной молочной сыворотки и влияния радиальной скорости, как при центральном способе её подачи, так и при периферийном способе подачи в продуктовую зону аппарата при кристаллизации лактозы;

3. Экспериментально исследованы закономерности изменения температуры массовой кристаллизации лактозы и определено количество лактозы, перешедшей в кристаллическое состояние;

4. Установлено влияние частоты вращения рабочих органов РПА на количество образующихся кристаллов лактозы и их средний размер;

5. Получены экспериментальные данные о влиянии температуры нагревания на средний размер кристаллов лактозы;

6. Разработана инженерная методика расчёта скребкового теплообменника непрерывного действия при кристаллизации лактозы молочной сыворотки на основе кинетики её температурных изменений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Учебное пособие

1. Бредихин, С.А. Процессы и аппараты пищевой технологии; учебное пособие / С.А. Бредихин, A.C. Бредихин, В.Г. Жуков, Ю.В. Космодемьянский, А.О. Якушев. - СПб.: Издательство Лань, 2014. - 544 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

2. Бредихин, A.C. Теплообмен при охлаждении молочной сыворотки в потоке [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов // Вестник ВГУИТ. - 2013,- №2(56). -Воронеж. — С. 58-62.

3. Бредихин, A.C. Гидродинамика процесса охлаждения молочной сыворотки при поточной кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов// Вестник ВГУИТ. - 2013. -№3 (57). - Воронеж. - С. 36-40.

4. Бредихин, A.C. Аналитические исследования охлаждения молочной сыворотки в потоке [Текст] / A.C. Бредихин, С.А. Бредихин, В.В. Червецов // Известия ТСХА. - № 4. - 2013. - Москва. - С. 119-127.

5. Бредихин, A.C. Особенности охлаждения молочной сыворотки при поточной кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов // Техника и технология пищевых производств. -№4 (31). - 2013. - Кемерово.-С.113-117.

6. Бредихин, A.C. Гидродинамика процесса охлаждения жидких пищевых сред в потоке [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов, С.А. Бредихин, К.А. Рашкин // Хранение и переработка сельхозсырья. - № 11. - 2013. - Москва. - С. 5-7.

7. Бредихин, A.C. Исследования течения молочной сыворотки в теплообменнике непрерывного действия [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов // Известия ТСХА. -№ 5.-2013.-Москва.-С. 164-170.

8. Бредихин, A.C. Закономерности охлаждения молочной сыворотки при поточной кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов// Известия Вузов. Пищевая Технология.-№ 5-6.-2013.-Краснодар.-С. 78-82. Статьи и материалы конференций

9. Бредихин, A.C. Современное оборудование кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Кирсанов, А.Е. Кузнецова, М.Н. Гощанская, В.В. Червецов // Материалы X Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения». - Москва. -ФГБОУ ВПО МГУПП. - 2012. - С. 260-264.

10. Бредихин, A.C. Современные аппараты кристаллизации лактозы [Текст] /

A.C. Бредихин, В.В. Кирсанов, А.Е. Кузнецова, М.Н. Гощанская, В.В. Червецов.// Материалы Международной научно-технической Конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям». -Воронеж. - ФГБОУ ВПО ВГУИТ.-2012.-С. 115-118.

11. Бредихин, A.C. Современные способы и оборудование кристаллизации лактозы [Текст] /A.C. Бредихин, В.В. Кирсанов, А.Е. Кузнецова, М.Н. Гощанская,

B.В. Червецов // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания». - Саратов: Издательство «КуБиК». - 2012. - С. 36-39.

12. Бредихин, A.C. Современные способы кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Кирсанов, А.Е. Кузнецова, М.Н. Гощанская, В.В. Червецов // Материалы международной научно-технической конференции «Производство продуктов для здоровья человека - как составная часть наук о жизни». - Воронеж. - ФГБОУ ВПО ВГУИТ. - 2012. - С. 213-218.

13. Бредихин, A.C. Инновационные способы кристаллизации лактозы в лактозосодержащих продуктах [Текст] /A.C. Бредихин, В.В. Кирсанов, А.Е. Кузнецова, М.Н. Гощанская, В.В. Червецов // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и оборудование - основа успеха работы молочной промышленности в условиях ВТО». - Адлер. - Ассоциация предприятий молочной промышленности «КУБАНЬМОЛОКО».-2012,- С. 98-102.

14. Бредихнн, A.C. Особенности охлаждения сгущенной молочной сыворотки в потоке [Текст] / A.C. Бредихин, В.В. Червецов // Материалы 7-ой ежегодной конференции молодых учены и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии «Научный вклад молодых ученых в развитие пищевой и перерабатывающей промышленности АПК». - Москва. - ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии. — 2013. —

C. 151-157.

15. Бредихнн, A.C. Молочная сыворотка как объект кристаллизации лактозы [Текст] / A.C. Бредихин, С.А. Бредихнн, В.В. Червецов // Всероссийская

24

L

юбилейная научная конференция, посвященная 125-летию со дня рождени академика Н.И. Вавилова «Научное наследие Н.И. Вавилова и современность». Москва. -РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.-2013.-С. 147-150. 16. Кузнецова, А.Е. Lactose crystallization: current issues and promising engineerin solutions. Актуальные вопросы процесса кристаллизации молочной лактозь Перспективные аппаратурно-технологические решения [Текст] /А.Е. Кузнецов В.В. Кирсанов, М.Н. Стрижко, А.С. Бредихин, В.К. Семипятный, В.В. Червецо А.Г. Галстян // Международный научный журнал «Foods and Raw materials». -№ 1.-2013.-С. 66-74.