автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления сухих молочных продуктов

На правах рукописи

Семипятный Владислав Константинович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХИХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных

продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

о 3 ДПР 2314

МОСКВА 2014

005546649

005546649

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Россель-хозакадемии (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук

Гзлстян Арам Генриховнч

Официальные оппоненты: Петров Андрей Николаевич,

доктор технических наук, член-корреспондент РАСХН, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности Россельхозакадемии, директор

Коновалов Сергей Александрович,

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет имени П.А.Столыпина», заведующий кафедрой продуктов питания и пищевой биотехнологии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодская государственная молочно-хозяйственная академия им.чН.В. Верещагина»

Защита диссертации состоится «27» мая 2014 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47,4 лек. ауд., тел./факс 8(384-2)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (\nv\\>. kern tipp, rü).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Ми-нобрнауки РФ (http:/hak, ed. eov.rü) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (wvw.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « Z^ » марта 2014г.

Учёный секретарь А-

диссертационного совета Кригер Ольга Владимировна

L" /

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Априори в реализации государственных программ РФ в области обеспечения населения высокачественными продуктами питания в востребованном ассортименте и количестве важное место занимает продукция молочной промышленности. С учетом территориальных, макроэкономических и стратегических факторов особое значение уделяется сухим молочным продуктам (СМП) как сырьевому компоненту для различных отраслей пищевой промышленности.

Известно, что в большинстве технологий переработки СМП предполагается наличие предварительного процесса их растворения в воде. В практике молочной промышленности данный процесс определяется термином «восстановление» и в значительной степени предопределяет качественные характеристики и количественный выход продукта, а также эффективность работы технологического оборудования.

С позиции химии процесс «восстановление» может быть описан классическим определением термина «растворение»: гетерогенная химическая реакция, которая протекает между твердым веществом и жидкостью и сопровождается переходом вещества в раствор. Физика явлений массопереноса при растворении, кинетика процесса, а также математические модели растворения достаточно глубоко исследовались применительно к химически чистым веществам. Что касается многокомпонентных систем, то современное состояние теории растворения не позволяет дать полного описания процесса. Это в полной мере относится и к процессу восстановления СМП. В связи с этим актуально обобщение имеющихся теоретических основ восстановления СМП и нахождения путей их дальнейшего совершенствования с целью развития теории и практики технологии восстановления сухих молочных продуктов.

Анализ научно-технического материала в данной области показывает, что различными учеными (Бурыкин А.И., Гинзбург А.С., Дворецкий Г.Б.ДСивенко С.Ф., Липатов Н.Н., Лыков А.В., Радаева И.А., Ребиндер П.А., Страхов В.В., Тарасов К.И., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Brunauer S., Cherife J., Duckworth R.B., Karel M., Labuza T.P., Trailer J.А. и др.) были предприняты попытки развития теории с позиции исследований модельных и натурных систем, а также развития и совершенствования теории и практики процесса сушки пищевых продуктов. Для упрощения модельных систем разрабатывались дополнительные критерии оценки с целью накопления материала и дальнейшей систематизации данных. Исследования на натурных моделях в большей степени были направлены на практическое решение проблемы в рамках молочной отрасли и косвенно подразумевают фактор избыточного воздействия. При рассмотрении процесса растворения неоднократно использовался элемент химической теории - метод подобия и были предприняты попытки учитывать массообменные процессы, как при описании процесса в целом, так и его отдельных этапов. Соответственно для всех случаев были разработаны критерии оценки эффективности процесса: относительная скорость растворения, показатель полноты растворения и ряд дополнительных характеристик СМП.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии восстановления сухих молочных продуктов с позиции рационализации энергоэффективности процесса и формирования высоких качественных показателей восстановленного молока.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно реализованы следующие задачи:

- обосновать с позиции производственной системы актуальные направления совершенствования технологии и разработать модель погружения/растворения множества частиц продукта в квазистатических условиях;

- разработать алгоритм исследований и создать лабораторный стенд, установить закономерности растворения сухих молочных продуктов в квазистатических условиях, осуществить корректировку модели с учетом нового фактического материала;

- создать алгоритмы расчета теплового баланса и рациональных фактических энергозатрат процесса, разработать соответствующее программное обеспечение;

- установить новые закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока, учитывающих концентрационно-температурные параметры системы в динамике и свойства компонентов;

- разработать инвариантную энергосберегающую технологическую схему восстановления сухого молока, технологическую инструкцию и провести промышленную апробацию.

Научная новизна:

- на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана принципиально новая модель погружения/растворения множества частиц сухого продукта, учитывающая концентрационные и температурные особенности системы в динамике и свойства продуктов;

- разработаны алгоритмы расчета теплового баланса и эффективных энергозатрат процесса, установлены новые закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока;

- выявлены новые физико-химические и технологические закономерности процесса восстановления сухих молочных продуктов, во взаимосвязи позволяющие рационализировать традиционные технологии продуктов их переработки.

Практическая значимость и реализация результатов:

- на основании проведенных исследований предложена модель погружения/утопления множества частиц, предполагающая возможность её применения в смежных отраслях для рационализации процессов растворения;

- разработано программное обеспечение для расчета теплового баланса и оценки рациональности энергозатрат процесса восстановления;

- с позиции Производственной системы разработаны технологические принципы и приемы повышения качества и рационализированы классические схемы технологий восстановления молока;

- разработаны и реализованы в производство 2 технологические инструкции по процессу восстановления: сухого молока по ГОСТ Р 52791-2007 и сухих сливок по ГОСТ 54661-2011.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на конференциях, конкурсах и семинарах различного уровня: на международном молочном саммите ММФ «Переоткрывая молоко» (Иокогама, Япония, 2013), на выставке «Золотая осень» в рамках конференции «Современное состояние и перспективы развития молочной промышленности» (Москва, 2013), на 7-ой ежегодной конференции молодых ученых и специалистов институтов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» -награжден дипломом II степени в номинации «лучший постерный доклад» (Москва, 2013), в конкурсе «Эстафета поколений 2013» - награжден дипломом II степени в номинации «лучшая аналитическая работа» (Москва, 2013), на ежегодной конференции РЭУ им. Плеханова «Липатовские чтения» (Москва, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе:2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 6 в отраслевых журналах, научных трудах институтов и материалах конференций; получено ¡Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 Патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, результатов собственных исследований и их анализа (3 главы), а также основных выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 109страницах машинописного текста (не включая Приложения), содержит 4 таблицы, 49 рисунков, 111 источников научно-технической информации, в том числе 10 ШегпеЬисточников.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретически разработанная и экспериментально скорректированная модель погружения/растворения множества частиц в квазистатических условиях;

- результаты интеграции Производственной системы в оценку производственных потерь технологии восстановления сухих молочных продуктов;

- алгоритмы и программное обеспечение для расчета теплового баланса и эффективности энергозатрат процесса;

- новые данные и закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока;

- разработанные и реализованные в производство технологии восстановления: сухого молока по ГОСТ Р 52791-2007 и сухих сливок по ГОСТ 54661-2011.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, представлены результаты апробации и публикаций, а также приведены данные по структуре и объему диссертационной работы.

В главе 1 представлены основные термины и определения, физические и химические основы процесса растворения, освещены теоретические положения, представлены оценочные критерии и предопределяющие факторы эффективности восстановления сухих молочных продуктов (СМП), освещены научные основы традиционных технологий и осуществлен критический анализ принципи-

альных производственных схем. По результатам анализа и обобщения литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 изложена структура, организация и схема проведения исследований (рис.1). На различных этапах работы объектами исследований являлись: сухие молочные продукты (обезжиренное (СОМ), цельное молоко (СЦМ) и сухие сливки (ССл)), их восстановленные композиции и опытно-промышленные образцы продукции. Все применяемые в ходе работ компоненты и вещества соответствовали требованиям действующей нормативно-технической документации и имели соответствующие сертификаты.

При выполнении работы использовали стандартизованные и общепринятые в химико-технологическом и микробиологическом контроле молочных продуктов методы исследований, изложенные в специализированных литературных источниках, а также оригинальные методы, комплексно обеспечивающие выполнение поставленных задач. Гранулометрический состав - на аналитической просеивающей установке RETSCH серия AS200 Control, оснащенной микропроцессорной системой контроля и измерения Amplimatic с обработкой программой Easysievet. Массовую долю свободного жира - методом адсорбции дестабилизированного жира на силикагеле ГОСТ 55332-12. Показатель «активность воды» (Aw) - сорбционно-емкостным методом на приборе «Hygrolab-З» (МВИ № 241.224/2008). Массовая доля влаги с помощью влагомера термогравиметрического инфракрасного МА-50 «Sartorius» (МВИ №241.186/2006). Массовая доля белка по Къельдалю на Kjeltek-2300. Эффективность диспергирования жира методом определения «коэффициента устойчивости» жировой фазы по Петрову А.Н. (А.с. СССР №1206688). Повторность опытов на всех этапах работы не менее трех.

Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики. Доверительная вероятность результатов математической обработки была не ниже: данных физико-химического анализа 0,95; результатов технологического и микробиологического экспериментов 0,90 и 0,80 соответственно. В процессе разработки модели использовалась программная реализация численного решения дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутгы четвертого порядка. Экспериментальные данные связывались уравнениями средствами регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов. Статистическая обработка и визуализация экспериментальных данных проводилась с применением методов матричной алгебры с помощью программ «Mathematica», «Microsoft Excel» и др. Для развития теории растворения и получения практических решений создана лабораторно-экспериментальная установка (рис. 2), позволяющая моделировать процесс восстановления СМП в условиях, приближенных к статическим (скорость подачи воды (2,5±0,1) мл/мин). Установка работает по принципу сообщающихся сосудов.

Рир. 1. Общая схема исследований

-А

Н,

1,13 ч' ©(

и Ъ9, I_I

^10 6.11

где 1 - резервуар с бидистнллированной водой; 2, 2', 2" - двухходовой кран с системой тонкого регулирования потока; 3 - трехходовой кран; 4 -узел гидратации сухих молочных продуктов; 5 -каркас установки; б - фильтр из иглопробивного термоскрепленного полотна по ТУ 17-14-255; 7 -патрубок для выравнивания уровня жидкости; 8 -центральный распределяющий патрубок; 9 - патрубок в узел гидратации; 10 - пробозаборный патрубок; 11 - резервуар для сбора воды; 12 -пробоприемник

Рис. 2.2. Экспериментальный стенд для исследований растворения сухих молочных продуктов при квазистатических условиях

В главе 3 показаны результаты анализа процесса восстановления СМП с позиции производственной системы, который позволил идентифицировать наиболее вероятные точки производственных потерь (рис. 3).

Технология восстановленных продуктов

Приемка и Производственные Хранение

подготовка сырья

{

Обязательные Восстановление сухого молока

процессы |

МетодПС Ндентификанпя производственны* потерь

Энергозатраты процесса

Задачи

Качество продукта Энергозатраты Потерн сырья

1 1

Нагрев воды Механическое воздействие Охлаждение ВМ

Целесообразность

Избыточность воздействия

Целесообразность

где ПС - производственная система; ВМ - восстановленное молоко

Рис. 3 Принципиальная схема дефиниции значимых производственных потерь в технологии восстановления сухих молочных продуктов

Установлено, что одной из значимых составляющих производственных потерь являются энергозатраты. Анализ традиционно применяемых аппаратов для восстановления (Я9-ОВС-2, Я16-ОПЖ-9, ВСМ-10, И1-ОВМ, П8-УВСМ-10, П8-ОРД-М, А1-ОМП, ванны ВДП и их аналоги и др.) показывает, что диапазон затрат энергии на механическую составляющую производства 1 т восстановленного молока составляет порядка 0,2...2,0кВт. При этом в технических характеристиках анализируемого типового оборудования нет фрагментации по производительности в зависимости от вида сырья, не указаны температурные и концентрационные параметры воды и продукта. При этом энергозатраты процесса (Эп) восстановления в первом приближении можно представить как: Э„ = Это. + Эп, где Эт.о. - энергия затрат на технологическую обработку, Эп. - энергия на подогрев системы (воды и сухого продукта). Потери тепла, связанные с его диссипацией во внешнюю среду, осознано в работе не учитывались в связи с разнообразием аппаратурно-технологического оформления процесса.

С учетом традиционно принятого на производстве подогрева воды указанные затраты могут существенно увеличиваться в зависимости от применяемого оборудования, вида энергоносителя и применяемой технологической схемы. Формирование энергозатрат процесса представлено на рис. 4, из которого следует, что затраты на подогрев воды порядка 2°С сопоставимы с максимально предлагаемыми энергозатратами оборудования.

Анализ производственных схем показывает (осуществлен опрос 27 переработчиков СМП), что на большинстве предприятий процесс восстановления осуществляют в подогретой 30-60°С воде, затем восстановленный продукт

охлаждают до 6-8°С и выдерживают в течение 0,5...3,0 ч. В этом случае энергозатраты на подогрев/охлаждение априори увеличиваются.

Е^£т"' 7 ............Учитывая ежегодные

/ / - объемы переработки СМП // // в России (более 170 тыс. / /' тонн) и вышеуказанное от/ — 5'с сутствие единых подходов / / к процессу восстановления, становится очевидным целесообразность и потенциал внедрения Про. _^ :«с изводственной системы в

"5 10 15 20 ' г-

данную область с позиции Рис.4 Графическая интерпретация формирования оценки энерг0эффектив-

энергозатрат процесса восстановления ности технологии> а также

с учетом потерь сырья и формирования качества продуктов переработки. При этом гарантированный результат для большинства переработчиков СМП - снижение расходов, а сопутствующим эффектом является стандартизация производственных процессов, стабилизация качества продукции и снижение вариативности результатов процессов.

В главе 4 в рамках работ по разработке математической модели утопления/растворения множества частиц, рассмотрена схема равновесного взаимодействия при трехфазном контакте Т-Ж-Г представлена на рис. 5 (проекция на Oxz). Равновесие подразумевает уравновешивание всех сил, действующих на частицу: силы Архимеда, силы поверхностного натяжения и силы тяжести. Имеем следующие параметры: R — радиус частицы, м; р - плотность частицы, кг/м3. Диапазон значений: 1050 - 1750 кг/м3; 9 - угол смачивания, град. Диапазон значений: 0° - 180°; 9 - угол погружения, град. Диапазон значений: 0°- 180°. Диапазон выбран с учетом плотности рассматриваемой частицы; р0 - плотность жидкости (воды), кг/м3. Полагается равной 1000 кг/м3; а - поверхностное натяжение, Н/м. Полагается равным 72,86 ■ 10~3 Н/м; g - ускорение свободного падения, м/с2. Полагается равным 9,8 м/с2.

Введено обозначение (разность между углом смачивания и углом погружения является основным параметром, влияющим на равновесие системы:

а = в-д. (1)

Запишем уравнение баланса сил, при котором частица будет Рис. 5 Погружение частицы в жидкость находится в равновесном

состоянии в жидкости:

f* + fai + fa2 -ft = 0. Распишем входящие силы - равенства:

FM=2m-2ylp0gcT sin-

(3)

F = InRcrún ,9 sin a

<7

=—яй3 (2 - eos i9Xcos 3+1)2 p0g rT

Тогда баланс сил записывается в виде уравнения: [(2 - cosi9)(cosi9 + 1)2р0д - 4pg]R2 + 6jp0ga sind sin^ R +

6er sin i9 sin a = 0. Для данной системы можно определить радиус частицы, необходимый для установления равновесия сил с углом погружения дс. При этом при малых дс (0 - 5 град) происходит самопроизвольное утапливание частицы. Зависимость R(9, р) представлена на рис. 6.

Ж Ш

gf ®

Рис. 6 R(в,p)- критический радиус при 19с=5° (А) с детализацией при фиксированных значениях плотности (В)

После разрыва границы трехфазного контакта, так как частица принята сферической формы и имеет малый размер, то применим закон Стокса.

Так как а — — имеем задачу Коши относительно скорости частицы v (в <Н

нулевой момент времени скорость полагается нулевой):

(рд ■ V + 6nvR-V-^пgR3 ■ (р-ро) = 0 ^

Ы(0) = 0

Решением будет являться функция:

-ехр{-^ф. (5)

Таким образом, модель определяет минимальный вес частицы, необходимый для преодоления поверхностного натяжения и скорость её погружения после утопления при условиях: частица не растворима, длина пути не определена.

На следующем этапе осуществлено симулирование модели, состоящей из множества частиц с допущением их сферической формы. Рассмотрение процесса капиллярной пропитки в наиболее простом виде представляет собой заполнение зазора между частицами. Жидкость начинает двигаться в образующемся зазоре за счет давления скривленной поверхности жидкости. Так как давление на верхней отметке решетки из шаров неизменно, тогда мы можем принять, что его из-

менение по высоте решетки будет лишь функцией скорости прохождения жидкости по ней. Была выведена формула для скорости подъема жидкости по капилляру и(г) (краевые условия для функции и(г) вычисляются с помощью радиуса кривизны зазора):

ф 2к{{Р, -Р(г)№ _2*,

и(г) = — ----

яг, /¿1п

Гф //1п

Я

Я

}0>3

(7)

где Ра- внешнее давление на сетку, Па;Л - радиус зоны накопления жидкости, м; ц - динамический коэффициент вязкости, Па с; Гф - радиус элементарной трубки решетки, м.

Рассматривается условная кубическая сетка, разбитая на квадраты, как модель уплотненного расположения частиц. В узлах сетки расположены шарообразные частицы одинакового радиуса, при этом слои частиц расположены в шахматном порядке (см. рис 7). Сетка погружается в воду перпендикулярно поверхности.

Рис. 7 Укладка сетки из частиц (А) и профиль на плоскости Охг (В)

Рассмотрим модель, в которой в воду с площадью поверхности Бм2 засыпается М кг продукта. Требуется рассчитать скорость растворения всей массы продукта с заданной внешней силой воздействия Ру и известными параметрами частиц: Я, р, 9. Дополнительно рассмотрим: Я - давление, оказываемое верхними слоями СМП на слой, непосредственно смачиваемый водой; N - количество

слоев частиц, равное

2р5Я

Модифицируем баланс сил для погружения одной частицы (баланс сил в зависимости от угла погружения представлен на рис. 8), описанный с учетом радиуса кривизны жидкости между частицами, и процесса капиллярной пропитки: Решая полученное дифференциальное уравнение относительно угла погружения:

Р(9(()) = тЗ( 0, (8)

можно вычислить время, необходимое для погружения одного слоя - достижения 8(.0 = тг/2.

Принято, что порядка 90% частиц имеют размеры в диапазоне 0,05..0,25 мм,

а на изготовление 1 тонны продукта требуется 125 кг СЦМ и 90 кг СОМ соответственно. Теоретические скорости растворения в емкости с диаметром 1 м даны на рис. 9. Как видно из рисунка, без приложения дополнительной силы часть слоев останется на поверхности жидкости.

Для установления корреляционного коэффициента модели с учетом фактических данных

Рис. 9 Время погружения сухого молочного продукта. (А) СЦМ, (В) СОМ

проведены экспериментальные исследования с использованием разработанного стенда при различных значениях температуры системы (20, 40, 60)°С и фиксированных значениях концентрации сухих веществ (СОМ - 9,0%, СЦМ - 12.5% и ССл - 16%). Полученные корреляционные коэффициенты на примере системы с температурой 20°С представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Корреляционные коэффициенты модели и расчет дополнительной силы для объектов исследования_

Тип сухого продукта Коэффициент Дополнительная сила для растворения продукта (мН)

СОМ 0,02 0,0012

СЦМ 0,001 0,025

ССл 0,0002 0,2

-0.01 -от -от

-0.04

иК ' 13 ' 1о' 2« зу

\

V

/

Рис. 8 Баланс сил в зависимости от угла погружения

Визуализация результатов модели в сравнении с экспериментальными данными представлены на рис. 10.

Полученные результаты показывают, что потенциалом к самостоятельному растворению из ряда исследуемых продуктов обладает СОМ. Полный переход сухих веществ в раствор отмечен через 3,0...3,5 ч выдержки. СЦМ и ССл при указанных условиях не способны к самостоятельному растворению даже при выдержке в течение 24ч. Анализ экспериментального материала подтвердил действенность разработанной модели и перспективность её развития.

НЮ 200 300 ЯЮ 600 700

Рис.10 Экспериментальные данные и скорректированная модель: СОМ - А; СЦМ - В и ССл - С

Результирующая температура восстановленной композиции определяется двумя группами факторов: тепловым балансом между компонентами и тепловыми потоками с окружающей средой. Последняя группа факторов является специфичной для каждого отдельного взятого производства и определяется главным образом его аппаратным оформлением. Поэтому, если для первой группы факторов возможен вывод зависимости, то для тепловых потоков необходимо экспериментально рассчитывать величину поправки. Следовательно, любой расчет теплового баланса строится с начала на основе рецептурных особенностей восстановленной композиции, а затем дополняется внесением поправки связанной с технологическим фактором. При составлении уравнения теплового баланса допускаем, что теплоемкость готовой композиции есть сумма теплоемкостей массовых долей его компонентов. Тогда тепловой баланс, с учетом количества тепла Е0 необходимого для его фазового перехода молочного жира, можно представить в виде следующего уравнения:

( п

I с.д. V/ = 1

т =с&тх +с2е2Г2 + ...+с„Я„Т„ +С0Е0

(9)

где с/ - массовая доля компонента в восстановленной композиции; (), - удельная теплоемкость компонента, Дж/(кг°С); Г-требуемая температура восстановленной композиции, °С; Г, - температура компонента на момент восстановления, °С; Ео - количество тепла необходимого для плавления молочного жира, Дж/кг; со - массовая доля молочного жира в восстановленной композиции.

Расчет температуры воды на основе уравнения 9 теплового баланса имеет решение в форме графического построения, по номограмме, разработанный программный интерфейс которой представлен на рис. 11 (А). Разработан алгоритм оценки эффективности воздействия механической и тепловой энергии и разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать рациональные энергетические затраты (дополнительную силу) для растворения молочных продуктов (см. рис. 11 В) в диапазоне стандартных концентраций.

Рис. 11. Программная реализация интерфейса номограммы и определения рациональных энергозатрат на процесс восстановления

Анализ материала с позиции повышения энергоэффективности процесса предполагает осуществление замены тепловой энергии на механическую. Такое решение позволит существенно рационализировать технологические схемы восстановления сухого молока.

В главе 5 Возможность замены тепловой энергии механической предполагает ряд исследований, направленных на определение качественных показателей готовой продукции и выявление значений возможных потерь сырья.

В качестве оценочных критериев на первым этапе применены индекс растворимости (И.р.) и группа термоустойчивости (Г.т.), критериев косвенно характеризующих стабильность системы при различных температурах восстановления (10, 20, 30, 40)°С и уровне энергии механической обработки порядка 0,3 кВт-ч (совмещение А1-ДГС - 25м3/ч, 15кВт-ч, 1500мин"' и А1-ОМП - 40м3/ч, 15кВт-ч, 3000мин"').Температура 60°С не рассматривалась в связи с тем, что представленные ранее данные однозначно показывают о её иррациональности с позиции эффективность/энергозатраты. Результаты исследований для традиционных концентраций восстановленных продуктов представлены на рис. 12.

Из представленных данных следует, что формирование/кинетика исследуемых показателей разнопланова для исследуемых видов продукции в зависимости от массовой доли жира продукта. Так если для обезжиренного молока оптимум температур составляет (Ю...20)°С, то для цельного и сливок - (20...30)°С. При данных диапазонах наблюдается наименьшее изначальное значение И.р. и Г.т. и меньшая их динамика.

Определена устойчивость жировой фазы в зависимости от уровня энергозатрат механической обработки для восстановленного цельного молока: продукт разделяли на 2 партии. Первую, экспериментальную, восстанавливали при температуре воды 8-10°С при уровне энергии механической обработки порядка 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 кВт-ч (совмещение А1-ДГС - 25м3/ч, 15кВтч, 1500мин"' и А1-ОМП - 40м3/ч, 15 кВт-ч, ЗОООмин"1), а вторую, контрольную, по аналогии, но температура воды составляла 38-40°С.

©

1-1 II—II

Грушк Йй-Й >

15 20 25 30

10 15 20

©

Рис. 12 Результаты формирования/кинетики И.р. и Г.т. восстановленного обезжиренного молока (А), цельного молока (В) и сливок (С)

Грмни ^еркиу^ичииоия! ;

15 20 35 40

Уровень энергии механического воздействия контролировали за счет продолжительности обработки исходя из его энергопотребления - 30 кВтч. Согласно методике нарушение консистенции, связанное с седиментацией жировой фазы, поставлено оценивается критериями - коэффициентом устойчивости жировой фазы (Ку), разностному коэффициенту устойчивости (Кр) и приведенного коэффициента устойчивости (К). Результаты представлены на рис. 13.

©

©

Рис. 13 Формирование коэффициента устойчивости жировой фазы (А), разностного коэффициента устойчивости жировой фазы (В) и приведенного коэффициента устойчивости жировой фазы (С)

Как видно из представленных данных оценочные критерии устойчивости жировой фазы контрольных образцов незначительно превышают аналогичные значения экспериментальных. С учетом наличия в технологиях переработки восстановленного молока процессов механической обработки (гомогенизация, диспергирование и пр.), наличие тепловых воздействий (термизация, пастеризация и пр.), изменений параметров системы (повышение вязкости и пр.) и др. можно предположить о нецелесообразности нагрева воды при значениях уровня энергии механического воздействия более 1,0 кВт-ч.

Для определения целесообразности экспозиции восстановленного молока проведен ряд производственных исследований, суть которых заключалась в следующем. Оперируя данными традиционных узлов восстановления и учитывая коэффициент запаса производительности 25%, получаем, что продолжительность процесса восстановления на различных производствах составляет от 45 до 60 мин. Соответственно в фактических производственных условиях были осуществлены заборы восстановленного продукта и проведены исследования. Установлено, что в рамках традиционных концентраций восстановленного молока динамики показателя в течение 6ч хранения продукта не отмечается и его значения находятся на уровне 0,98-0,99. Таким образом, в производственных условиях подтверждена нецелесообразность экспозиции.

Известно, что одним из критериев хранимоустойчивости сухих молочных продуктов является массовая доля свободного жира. В рамках исследований осуществлена попытка установления его влияние на формирование краевого угла смачивания. Визуализация результатов анализов представлена на рис. 14.

Кадр №1

Кадр №2

Кадр №3

в ¡10?

Рис. 14 Визуализация результатов анализа

На рис. 15 представлены фактические данные (маркеры) и результаты модификации компилированного уравнения Дворецкого Г.Б. в виде соответствующих областей.

Модифицированная формула Дворецкого Г.Б. для определения краевого угла смачивания в зависимости от содержания свободного жира на поверхности (области рис. 15 даны в соответствии с формулой 10).

Статистическая обработка полученных данных показала отсутствие значимой корреляции между содержанием свободного жира в продукте и краевым углом смачивания. Это возможно объяснить неравномерным распределением свободного жира в частицах продукта, в частности, на поверхности глобул.

■ сом сцм

ССд

20;

2 4 6 8 .10 12 ¡4

Рис. 15 Фактические (маркеры) результаты значений 0 от массовой доли свободного жира в области компилированных данных (Дворецкий Г.Б.)

60,6,,т,,р) = Агссоэ

Г (с05(б?,) - С05(6>))- СО5(0о) 1 -рт, )

(10)

где 9 -краевой угол сухого молочного продукта, 9о- краевой угол молочной фазы без свободного жира, 6с - краевой угол жировой фазы, тг- массовая доля жира в продукте, р - массовая доля свободного жира относительно общего содержания жира.

Основные результаты и выводы

1. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованы технологии восстановления сухого обезжиренного и цельного молока, сухих сливок с позиции рационализации энергоэффективности процесса и формирования высоких качественных показателей восстановленного молока.

2. С позиции производственной системы определены актуальные направления совершенствования технологии восстановления сухих молочных продуктов - снижение потерь и повышения качества восстановленного молока. Установлено, что среди производственных потерь наиболее целесообразно рационализировать энергозатраты процесса. Разработана математическая модель погружения/растворения в квазистатических условиях множества растворимых шарообразных частиц с гладкой поверхностью, расположенных в узлах кубической сетки и отвечающих условиям компактного уложения; при плотности частицы от 1050 до 1750 кг/м3; значениях краевого угла смачивания от 0° до 180° и температуре системы в интервале (10...60) °С. Модель определяет закономерности движения жидкости в зазоре между частицами, их погружения и растворения. Установлено, что произвольное утопление сетки частиц сухого продукта возможно при их плотности более 1240 кг/м3 и краевом угле смачивания менее 40°.

3. С применением разработанного лабораторного стенда получены фактические данные по концентрационно-температурно-временным параметрам системы при растворении сухого цельного и обезжиренного молока, сухих сливок в условиях максимально приближенных к статическим. Получены корректирующие коэффициенты к дифференциальному уравнению модели, универсальные для всего традиционно применяемого на производстве диапазона температур (10...60) °С. Доказано, что скорректированная модель адекватно аппроксимирует фактические экспериментальные данные.

4. Последовательно созданы алгоритмы и программное обеспечение для расчета теплового баланса и рациональных энергозатрат, учитывающие параметры процесса (температурные, временные и концентрационные) восстановления сухих молочных продуктов. Выявлен порядок рациональных механических энергозатрат для получения 1 т восстановленного продукта: молока цельного -1,0кВт ч; обезжиренного молока 0,5кВт ч и сливок - 2,0кВт ч. Установлено, что с точки зрения энергоэффективности процесса механическая составляющая превалирует над температурной.

5. Разработаны принципиальные технологические схемы восстановления и проведена их промышленная апробация в производственных условиях ООО «Узловский молочный комбинат» и ООО «Мастер кондитер». Данные по формированию и динамике нормируемых показателей и дополнительно введенных оценочных критериев (показатель «активности воды», «коэффициент устойчивости жировой фазы», индекс растворимости, группа термоустойчивости и др.) восстановленных по разработанной схеме молока и сливок, полученных в производственных условиях, позволили рекомендовать их промышленное внедрение. В производственных условиях доказана нецелесообразность экспозиции восстановленного молока.

6. Для промышленного внедрения разработаны технологические инструкции на процесс восстановления: молока сухого, выработанного по ГОСТ Р 52791-2007 «Консервы молочные. Молоко сухое. Технические условия»; сухих сливок, выработанных по ГОСТ Р 54661-2011 «Консервы молочные. Сливки сухие. Технические условия». Проведена производственная апробация технологий.

Список трудов, опубликованных по материалам диссертации:

- публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Семипятный, В.К. Совершенствование процесса растворения сухого молока: математическое моделирование системы «твердая частица - жидкость» / В.К. Семипятный, М.Н. Стрижко, А.Г. Галстян // Журнал «Молочная промышленность», № 8, 2013. С. 28-30

2. Семипятный, В.К. Совершенствование процесса растворения сухого молока: математическое моделирование системы «множество частиц - жидкость» /В.К. Семипятный, М.Н. Стрижко, А.Г. Галстян // Журнал «Молочная промышленность» № 12, 2013. С. 36-37

- патенты на изобретение

3. Способ проведения кристаллизации молочного сахара в концентрированных лактозосодержащих молочных продуктах. Кузнецова А.Е., Галстян А.Г., Червецов В.В., Кирсанов В.В., Радаева И.А., Туровская С.Н., Илларионова Е.Е., Семипятный В.К., Бредихин A.C., Стрижко М.Н., Карапетян В.В., Малова Т.И. Патент на изобретение № 2502311 от 27.12.13.

4. Программа для расчета теплового баланса процесса восстановления сухого молока / Семипятный В.К., Галстян А.Г., Стрижко М.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611919 от 13.02.14.

- публикации в материалах конференций и специализированных журналах

5. Semipyatniy, V. Development of scientific basis of powdered milk dissolution/ V. Semipyatniy, A. Galstyan, A. Kuznetsova // IDF Bulletin on proceedings of WDS 2013 conference, 2014.

6. Галстян, А.Г. Расчет теплового баланса процесса восстановления сухих молочных продуктов / А.Г. Галстян, В.К. Семипятный, В.В. Карапетян, Т.И. Малова // Липатовские чтения. Сборник научных трудов кафедры технологических машин и оборудования - М.: Изд-во РЭУ им. Г.В.Плеханова, 2014. С.62-66

7. Kuznetsova A. Lactose crystallization: current issues and promising engineering solution / A. Kuznetsova, V. Kirsanov, M. Strizhko, A. Bredikhin, V. Semipytaniy, V. Chervetsov, A. Galstyan // «Foods and Raw materials», № 1,2013. P. 66-74

8. Семипятный, В.К. Производственная система: инструмент повышения конкурентоспособности / В.К. Семипятный, А.Г. Галстян, Д.В. Харитонов, Г. Е. Цыганков // Журнал «Переработка молока», № 11, 2013. С. 44-47

9. Семипятный, В.К. К вопросу длительности процесса восстановления СМП / В.К. Семипятный, М.Н. Стрижко, А.Г. Галстян // Журнал «Переработка молока», № 3, 2014. С. 76

10. Галстян, А.Г. Рационализация процесса восстановления СМП / А.Г. Галстян, В.К. Семипятный, В.В. Карапепян, Т.И. Малова // Журнал «Переработка молока», № 3,2014. С. 80-81

Подписано в печать:

19.03.2014

Заказ № 9416 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wvvw.autoreferat.ru

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (ГНУ ВНИМИ Россельхозака

СЕМИПЯТИЫЙ ВЛАДИСЛАВ КОНСТАНТИНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХИХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

04201457573

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, А.Г. Галстян

МОСКВА 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение. Общая характеристика работы 4

1 Анализ состояния проблемы 9

1.1 Термины и определения, физические и химические основы растворения 9

1.2 Теоретические основы, оценочные критерии и предопределяющие факторы процесса восстановления сухих молочных продуктов 17

1.3 Научные основы процесса восстановления сухого молока 29

1.4 Принципиальные технологические схемы и принципы аппаратурного оформления процесса восстановления сухих молочных продуктов 33

2 Методология исследований 36

2.1 Структура, организация и схема исследований 36

2.2 Объекты исследований 37

2.3 Методы исследований, приборное обеспечение 38

2.3.1 Стандартизованные экспериментальные методы 38

2.3.2 Общепринятые и оригинальные экспериментальные методы 39

2.3.3 Методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных 43

2.4 Лабораторный стенд для исследований процесса растворения

в квазистатических условиях 45

3 Анализ процесса восстановления с точки зрения производственной системы 47

4 Развитие теоретических основ процесса растворения сухих молочных продуктов: моделирование системы утопления 52

4.1 Критические параметры статической системы для утопления -случай одной частицы 52

4.2 Поведение после утопления 58

4.3 Модель растворения сетки частиц 60

4.3.1 Движение жидкости в зазоре между частицами 61

4.3.2 Утопление сетки частиц 63

4.3.3 Корректировка модели 65 4.4 Практическое применение модели 72

4.4.1 Тепловой баланс процесса 73

4.4.2 Номограмма теплового баланса 73

4.4.3 Расчет энергетических затрат 77 5 Результаты формирования/кинетики качественных показателей

восстановленного продукта и основные положения технологических инструкций 79

5.1 Результаты формирования/кинетики качественных показателей восстановленного продукта 79

5.2 Исследование целесообразности экспозиции сухого молока 83

5.3 Исследование формирования краевого угла смачивания от массовой доли свободного жира 83

5.4 Технологические инструкции восстановления сухого молока

по ГОСТР Р 52791-07 и сухих сливок по ГОСТ Р 54661-1 1 85

Основные результаты работы и выводы 100

Список использованной литературы 102

Приложение 1 Программная реализация предложенных алгоритмов 110

Приложение 2 Технологические инструкции 113

Приложение 3 Дипломы (результаты номинирования работы) 115

Приложение 4 Список публикаций 117

Приложение 5 Акты производственной апробации 121

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Априори в реализации государственных программ РФ в области обеспечения населения высокачественными продуктами питания в востребованном ассортименте и количестве важное место занимает продукция молочной промышленности. С учетом территориальных, макроэкономических и страгегических факторов особое значение уделяется сухим молочным продуктам (СМП) как сырьевому компоненту для различных отраслей пищевой промышленности.

Известно, что в большинстве технологий переработки СМП предполагается наличие предварительного процесса их растворения в воде. В практике молочной промышленности данный процесс определяется термином «восстановление» и в значительной степени предопределяет качественные характеристики и количественный выход продукта, а также эффективность работы технологического оборудования.

С позиции химии процесс «восстановление» может быть описан классическим определением термина «растворение»: гетерогенная химическая реакция, которая протекает между твердым веществом и жидкостью и сопровождается переходом вещества в раствор. Физика явлений массопереноса при растворении, кинетика процесса, а также математические модели растворения достаточно глубоко исследовались применительно к химически чистым веществам. Что касается многокомпонентных систем, то современное состояние теории растворения не позволяет дать полного описания процесса. Это в полной мере относится и к процессу восстановления СМП. В связи с этим актуально обобщение имеющихся теоретических основ восстановления СМП и нахождения путей их дальнейшего совершенствования с целью развития теории и практики технологии восстановления сухих молочных продуктов.

Анализ научно-технического материала в данной области показывает, что различными учеными (Бурыкин А.И., Гинзбург A.C., Дворецкий Г.Б., Кивенко С.Ф., Липатов H.H., Лыков A.B., Радаева И.А., Ребиндер П.А., Страхов В.В., Та-

расов К.И., Филатов Ю.И., Харитонов В.Д., Brunauer S., Cherife J., Duckworth R.B., Karel M., Labuza T.P., Trailer J.A.. и др.) были предприняты попытки развития теории с позиции исследований модельных и натурных систем, а также развития и совершенствования теории и практики процесса сушки пищевых продуктов. Для упрощения модельных систем разрабатывались дополнительные критерии оценки с целью накопления материала и дальнейшей систематизации данных. Исследования на натурных моделях в большей степени были направлены на практическое решение проблемы в рамках молочной отрасли и косвенно подразумевают фактор избыточного воздействия. При рассмотрении процесса растворения неоднократно использовался элемент химической теории - метод подобия и были предприняты попытки учитывать массообменные процессы, как при описании процесса в целом, так и его отдельных этапов. Соответственно для всех случаев были разработаны критерии оценки эффективности процесса: относительная скорость растворения, показатель полноты растворения и ряд дополнительных характеристик СМП.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии восстановления сухих молочных продуктов с позиции рационализации энсргоэф-фективности процесса и формирования высоких качественных показателей восстановленного молока.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно реализованы следующие задачи:

- обосновать с позиции производственной системы актуальные направления совершенствования технологии и разработать модель погружения/растворения множества частиц продукта в квазистатических условиях;

- разработать алгоритм исследований и создать лабораторный стенд, установить закономерности растворения сухих молочных продуктов в квазистатических условиях, осуществить корректировку модели с учетом нового фактического материала;

- создать алгоритмы расчета теплового баланса и рациональных фактических энергозатрат процесса, разработать соответствующее программное обеспечение;

- установить новые закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока, учитывающих концентрационно-температурные параметры системы в динамике и свойства компонентов;

- разработать инвариантную энергосберегающую технологическую схему восстановления сухого молока, технологическую инструкцию и провести промышленную апробацию.

Научная новизна:

- па базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана принципиально новая модель погружения/растворения множества частиц сухого продукта, учитывающая концентрационные и температурные особенности системы в динамике и свойства продуктов;

- разработаны алгоритмы расчета теплового баланса и эффективных энергозатрат процесса, установлены новые закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока;

- выявлены новые физико-химические и технологические закономерности процесса восстановления сухих молочных продуктов, во взаимосвязи позволяющие рационализировать традиционные технологии продуктов их переработки.

Практическая значимость и реализация результатов:

- на основании проведенных исследований предложена модель погружения/утопления множества частиц, предполагающая возможность её применения в смежных отраслях для рационализации процессов растворения;

- разработано программное обеспечение для расчета теплового баланса и оценки рациональности энергозатрат процесса восстановления (см. Приложение 1);

- с позиции Производственной системы разработаны технологические принципы и приемы повышения качества и рационализированы классические схемы технологий восстановления молока;

- разработаны и реализованы в производство 2 технологические инструкции по процессу восстановления: сухого молока по ГОСТ Р 52791-2007 и сухих сливок по ГОСТ 54661-2011 (см. Приложение 2).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на конференциях, конкурсах и семинарах различного уровня: на международном молочном саммите ММФ «Переоткрывая молоко» (Иокогама, Япония, 2013), на выставке «Золотая осень» в рамках конференции «Современное состояние и перспективы разврттия молочной промышленности» (Москва, 2013), на 7-ой ежегодной конференции молодых ученых и специалистов институтов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» - награжден дипломом II степени в номинации «лучший постерный доклад» (Москва, 2013), в конкурсе «Эстафета поколений 2013» - награжден дипломом II степени в номинации «лучшая аналитическая работа» (Москва, 2013), на ежегодной конференции РЭУ им. Плеханова «Липатовскис чтения» (Москва, 2014) (см. Приложение 3).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 6 в отраслевых журналах, научных трудах институтов и материалах конференций; получено 1 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 Патент на изобретение (см. Приложение 4).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, результатов собственных исследований и их анализа (3 главы), а также основных выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 109

страницах машинописного текста (не включая Приложения), содержит 4 таблицы, 49 рисунков, 111 источников научно-технической информации, в том числе 10 Мегпе^источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретически разработанная и экспериментально скорректированная модель погружения/растворения множества частиц в квазистатических условиях;

- результаты интеграции Производственной системы в оценку производственных потерь технологии восстановления сухих молочных продуктов;

- алгоритмы и программное обеспечение для расчета теплового баланса и эффективности энергозатрат процесса;

- новые данные и закономерности формирования/кинетики качественных показателей восстановленного молока;

- разработанные и реализованные в производство технологии восстановления: сухого молока по ГОСТ Р 52791-2007 и сухих сливок по ГОСТ 546612011.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Термины и определения, физические и химические основы растворения

К рассмотрению процесса восстановления СМП целесообразно приступить с представления классического определения ряда терминов для унификации работы и выявления схожих понятий и их определений.

Под термином «растворение» твердых тел в жидкости подразумевается: «гетерогенное физико-химическое взаимодействие твердого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твердой фазы в раствор; один из основных процессов химической технологии» [1,13,51,77,78,101].

В зависимости от вида получаемого раствора процесс растворения делится на [1,14,57,77,78,101,102]: физическое растворение, при котором переход в раствор вещества не сопровождается изменением его химического состава и его можно выделить в твердом состоянии физическими методами; химическое растворение, при котором переход вещества в раствор сопровождается химической реакцией и его нельзя выделить обратно; электрохимическое растворение, протекающее в условиях, когда процессу сопутствует перенос электрических зарядов.

В специальной литературе [17,18,43,44,54,102] одну из стадий процесса растворения сухих молочных продуктов принято использовать термин «выщелачивание», ранее считавшемуся синонимом термину «экстрагирование», однако в настоящее время [76,77,78,104] под этим термином, подразумевают: «выщелачивание, извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел (руд, концентратов, промежуточных продуктов, иногда отходов производства) водным раствором, содержащим щелочь, кислоту и др. реагент, а также с использованием определенных видов бактерий, частный случай экстрагирования из твердой фазы». Поэтому в химико-технологической литературе, этот термин используют, как один из случаев «экстрагирование», дающему наиболее полную характеристику процесса: «экстрагирование, переход одного или несколь-

ких компонентов из твердого пористого тела в жидкую фазу с помощью избирательного растворителя (экстрагента); один из массообменных процессов химической технологии».

Конечного стадией процесса растворения является раствор. Понятие «растворы» с позиции химии можно охарактеризовать как [5,13,15,19,105]: «гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, состав которых в определенных пределах может непрерывно изменяться». Растворы можно классифицировать по различным признакам - агрегатному состоянию: газовые, жидкие и твердые; наличию или отсутствию электролитической диссоциации молекул растворенных веществ; концентрации растворенного вещества (концентрированные или разбавленные); по природе растворителя (водные и неводные) и др. [41,77,78,105].

Похожим образом понятие «растворы» определяется и с позиции физики [42,51,56,58,64,71,102]: «системы, состоящие из молекул, атомов и (или) ионов нескольких различных типов, при этом числа различных частиц не находятся в количестве определенных стсхиомстрических соотношениях друг с другом».

Со способностью веществ образовывать растворы, непосредственно связано понятие «растворимость»: «способность вещества образовывать с другими веществом (или веществами) гомогенные смеси с дисперсионным распределением компонентов» [60,72,76,102]. Количественной характеристикой растворимости является концентрация вещества в насыщенном растворе. Вещество, присутствующее в растворе в существенно большем количестве, называют «растворителем»: «неорганические или органические соединения, а также смеси, способные растворять различные вещества» [72,102].

Если чистое вещество существовало в том же агрегатном состоянии, что и раствор, то его считают растворителем [5,23,102,111]. Так в системах жидкость - твердое тело и жидкость - газ растворителем считают жидкость. Растворители можно разделить по ряду свойств [59,71]: по химическому строению (неорганические и органические); по температуре плавления при атмосферном давлении (низкокипящие - ниже Ю0°С - и высококипящие - свыше 150°С); по

вязкости (маловязкие - менее 2 мПа-с при 20°С, средней вязкости - 2-10 мПа-с -и высоковязкие - более 10мПа-с) и др.

Одной из главных характеристик растворителя является его растворяющая способность. Для процесса растворения кристаллического и высокомолекулярного аморфного вещества растворяющая способность рассчитывается по-разному. Так если для кристаллических веществ, молекулы которого равномерно переходят с его поверхности в раствор, она равна концентрации насыщенного раствора, то при растворении высокомолекулярных соединений имеется ряд особенностей [31,53,68,69,84,105]. Молекулы с большой молекулярной массой переходя в раствор, сначала набухают, образуя гели, которые при избытке растворителя образуют прозрачный однородный раствор — золь [13].

Из приведенного ранее определения растворения видно, что процесс образования раствора сопровождается переходом вещества из одной фазы в другую. В химической технологии такие процессы принято относить к массооб-менным: «массообмен - необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или нескольких фаз» [1,23,51,102,104].

В основе массообменных процессов лежит механизм переноса вещества из одной фазы в другую называемый диффузией: «перенос частиц разной природы, обусловленный хаотическим тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсированных средах» [42,60,64,102].

Движущей силой направленного переноса вещества из одной фазы в другую в процессе массообмена, является разность химических потенциалов, выражаемая на практике разностью концентраций. Равновесие между твердым телом и раствором достигается при достижении концентрации насы