Совершенствование технологии восстановления сухих молочных продуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат наук Семипятный, Владислав Константинович

• Семипятный, Владислав Константинович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Семипятный, Владислав Константинович

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 диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии восстановления сухих молочных продуктов»

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 насыщения - значения, которое является одним из определяющих кинетику растворения факторов [1,5,77,78,96].

Экспериментально установленный А.Н. Щукаревым [46,66,73] закон кинетики физического растворения показывает, что плотность потока вещества

(0 с поверхности растворения (£) пропорциональна концентрационному недо-

насыщению раствора (с„ - с„) и может быть представлена в виде:

<2 = /з(сн-с(1.1)

где Q - количество вещества, растворяющегося в единицу времени, 5 -площадь растворяющегося тела, сн - концентрация насыщенного раствора, с„ - фактическая концентрация раствора в данный момент времени, коэффициент массоотдачи, показывающий количество вещества, переходящего от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока в единицу времени при движущей силе равной единице.

Наиболее строгим и принципиальным путем для нахождения коэффициента массотдачи является нахождение общего решения для системы из уравнения диффузии в движущейся среде, уравнения движения и уравнения неразрывности потока при заданных начальных и граничных условиях, что представляется крайне сложной математической задачей [23,41,51,102]. Поэтому связь между переменными, характеризующими процесс переноса в потоке фазы, находят методами теории подобия в виде обобщенного уравнения массоотдачи, состоящего из критериев подобия, которыми описываются процессы массоотдачи на границе фазы и в основной массе фазы. Определяющим критерием [44,58,111] считается диффузионный критерий Нуссельда Ыи (иногда называемый критерием Шервуда 8И), поскольку в него входит величина у? [66,91,111]:

М = (1.2)

О

где I - характерный размер частицы, О - коэффициент диффузии.

Скорость переноса вещества определяется механизмом его переноса через границу раздела фаз. Так в движущейся среде перенос массы компонента происходит за счет двух независимых элементарных механизмов. Во-первых, перенос осуществляется за счет механизма молекулярной диффузии при наличии градиента концентрации вещества и может быть найден с использование первого закона Фика [56,60,111]:

]0~-П-8гайС, (1.3)

где /у - количество вещества, переносимого молекулярной диффузией, - коэффициент диффузии, показывающий какое количество вещества проходит в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице; gradC - градиент концентрации.

Во-вторых, при помощи конвективной диффузии, при которой вещество содержащиеся в потоке, перемещается вместе с движущимся потоком из одной точки пространства в другую. Количество конвективного переносимого вещества (jk) пропорционально его концентрации (с) и скорости движения основного потока-носителя ( 3) [44,66,102]:

Л =ссо (1.4)

Суммарный перенос вещества в движущей среде называют конвективной диффузией. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии, характеризующие соотношение между конвективным переносом и молекулярной диффузией имеет вид [64,66,102]:

Д/-' ^ ^ гл ( г*

т/ дС __ дС .. дС О Уг— + У1. — + V. — = — ах > дУ ■ Ь2 ил

д'С д1С д'С

+ -—"Г ь ■

0. ЧЗХ2 6У2 д22 ,

(1.5)

где Vо - характерная скорость частицы

Левая часть данного уравнения конвективной диффузии характеризует конвективный перенос вещества вместе с жидкостью, правая часть — молекулярную диффузию. Соотношение между конвективным и диффузионным переносом вещества определяется безразмерным соотношением Ре=(ио1)Ю, носящим название числа Пекле. Если число Ре мало, то распределение концентрации определяется в основном процессом молекулярной диффузии, а перенос вещества конвекцией имеет пренебрежимо малое значение. Если число Ре велико, то ситуация противоположна.

Следующим безразмерным критерием, применяемым для характеристики процесса, является число Прандтля (Рг), представляющее соотношение числа Пекле к числу Рейнольдса (Ке) [1,5,102]:

Рг = (1.6)

' £> / V О ' 4

где 1' - вязкость среды.

Число Прандтля (для диффузионных процессов именуемое числом Шмидта Бс) характеризует перенос импульса и вещества молекулярной диффузией и определяется материальными константами. После подстановки в форму-

лу значений коэффициента диффузии для молекул и ионов в водных растворах, равных Б-Ю"- см2/сек; у макромолекул 0=Ю~6 см2/сек, величина числа Пранд-тля равяется порядка Рг~103 и растет с увеличением вязкости пропорционально квадрату, достигая в вязких жидкостях порядка ~106 и более. Большие значения числа Прандтля показывают, что при весьма малых скоростях переноса вещества в жидкостях конвекция преобладает над молекулярной диффузией.

Массоперенос через границу раздела фаз сочетает в себе молекулярный и конвективный механизм. Для упрощения расчетов процесса было предложен ряд моделей (Льюиса и Уитмена, Левича, Хигби, Кишиневского, Кафарова, Данквертса и др.) [1,23,32,37,60,102,111 ].

Не являясь физической константой, коэффициент массоотдачи зависит от физических свойств фазы (плотности, вязкости и др.) и гидродинамических условий [42,36,102]. Наиболее детально и близко к условиям раздела фаз твердое тело - жидкость эти вопросы рассмотрены в теории пограничного диффузионного слоя. При её рассмотрении существенное значение придается режиму течения жидкости вблизи твердых поверхностей. Если обтекание происходит потоком при ламинарном течении около поверхности раздела фаз, то уже при небольших числах Рейнольдса - порядка Яе~10"2 - в жидкостях, число Пекле выражается большими значениями. Конвективная диффузия преобладает лишь вблизи поверхности твердого тела, которая является областью с быстро меняющейся концентрацией и в которой молекулярная диффузия сравнивается с ней. Таким образом, можно выделить два слоя: область с постоянной концентрацией вдали от поверхности тела и область быстро изменяющейся концентрации. Для оценки толщины диффузионного слоя (г5) используют формулу [59]:

Г £>У3 „ ¿>

д* V V )

где до- толщина гидродинамического слоя.

Рзл

*о=--Т7. (1.7)

Толщина диффузионного пограничного слоя оставляет 10% от толщины прандтлевского слоя при Рг^Ю3. Для оценки величины диффузионного слоя (3)

и скоростного (гидродинамического) пограничного слоя (до) при больших числах Рейнольдса можно использовать выражения [21,41]:

<5,,«//л/Ке (1.8)

1 (1.9)

3л/Рг^Яе

Таким образом, скорость растворения во много определяется скоростью обтекания. Для диффузионного потока количество переносимого вещества приближенно можно представить в виде [21,41]:

• - Осо

Jс)ифф ~ д (1-Ю)

Приграничный слой имеет ряд принципиальных особенностей: учитывается движения жидкости и тем самым конвективный перенос вещества; конвективная и молекулярная диффузия идут в диффузионном пограничном слое как поперек, так и вдоль него; диффузионный пограничный слой не имеет четко выраженных границ и представляет резкое изменение концентраций, при этом его толщина зависит не только от свойств раствора и скорости течения, но также и от коэффициента диффузии [1,56,60,102]. При одновременном растворении нескольких (или поликомпонентного) веществ, существует несколько пограничных слоев, соответствующих каждому веществу.

Переход течения в турбулентный режим у непосредственной поверхности твердого тела обусловлен формой поверхности тела и/или имеющимися на нем шероховатостями. Перенося импульс жидкости к поверхности твердого тела, турбулентные пульсации создают средний поток импульса к поверхности [42,64,71]:

F ( Ш

г = — * А

5 ~,''тРг\ I

ди

дЬ

ди

аР1Л~^7 ^Р* (1.11)

д\>

где ¡я - молекулярная вязкость, Ди - изменения средней скорости на протяжении масштаба движения, Ь - масштаб движения, р - плотность жидкости, а - некоторый неизвестный множитель пропорциональности.

Для характеристики переноса вещества турбулентным потоком используют коэффициент диффузии Отурб. Поскольку пульсационные движения имеют статический характер, перенос вещества в ядре турбулентного потока аналоги-

15

чей молекулярной диффузии. Однако макроскопический масштаб турбулентных пульсаций в потоке с развитой турбулентностью пропорционален Отурб, превосходящий во много тысяч раз Б [60,64].

]тг, = -Отя}- • §гас!С (1.12)

Масштаб турбулентных пульсаций растет с увеличением расстояния от стенки, что приводит к уменьшению коэффициента турбулентной диффузии по закону [64,71]:

(1.13)

ду ду

Турбулентный поток имеет четырехслойную структуру. Наиболее удалена от поверхности тела зона с развитой турбулентностью, в которой концентрация вещества постоянна. Ближе к поверхности тела располагает турбулентный подслой, в котором происходит уменьшение концентрации и скорости, при этом молекулярная вязкость и диффузия не играют существенной роли по сравнению турбулентными пульсациями. Еще ближе находится вязкий подслой в котором молекулярный движение начинает преобладать над турбулентным, но так как коэффициент молекулярной диффузии в тысячу раз меньше, то турбулентные пульсации переносят гораздо больше вещества. Только у поверхности в диффузионном подслое молекулярная диффузия преобладает над турбулентной. Толщину диффузионного подслоя можно найти по формуле [5,57]:

/ ПС3\

5 =

Ш

К з/

о

П>а

•м

¿0 10

/ 4

(1.14)

Рг''4 УГор Рг ^ \jjU~» ' где у — некоторый определяемый числовой коэффициент.

Для нахождения диффузионного потока предложен ряд формул [1,23,102], учитывающих режим течения (ламинарный, смешанный и турбулентный); форму, размер и шероховатость поверхности частиц, параметры потока и др.

В целом выделен ряд фактов и параметров, определяющих скорость растворения. Методы интенсификации процесса растворения основаны направленным влиянием на них [1,42,71,80,82]:

~ температура, повышение которой, как правило, ведет к уменьшению вязкости раствора, росту молекулярной диффузии и тем самым увеличивает скорость процесса.

- увеличение поверхности контакта фаз: во-первых, за счет уменьшения размера частицы, а значит увеличения удельной поверхности; во-вторых, созданием в аппарате такой гидродинамической обстановки при которой взаимодействия частиц продукта между собой не происходит и они находятся на расстоянии большем, чем толщина пограничного гидродинамического слоя.

- увеличение скорости обтекания частицы, как за счет увеличеиия разности плотностей между частицей и раствором, так и за счет режима обтекания потока и воздействия силовых полей и колебаний.

Два последних способа лежат в основе классификации способов интенсификации процессов, предложенных Г.А. Аксельрудом, представленных ниже на рис. 1,1 [1].

Изложенные выше теоретические основы дают лишь наиболее общую картину. Для характеристики растворения непосредственно сухих молочных продуктов, необходимо дать их характеристику и рассмотреть существующие на сегодняшний день теоретические основы процесса.

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

Признанной на сегодняшний день является теория, предложенная Липатовым H.H. и Тарасовым К.И [43,44,46,73]. Согласно ей процесс восстановления рассматривается как взаимодействие систем твердое вещество-газ (далее ТГ) с жидкостью (водой). Где системой ТГ выступает частица продукта, где твердое вещество - лактоза, белок, минеральные вещества и жир, а газ - воздух, находящийся в её вакуолях, трещинах и порах, при этом влага рассматривается как дискретная фаза. Физическая модель растворения [43] представлена на рис. 1.2.

я

р

о о К -в-

я

я р

я к

М о Я

о о о сг\ о

03

н

П)

а

о К

-ея

т, р

Ьа К

-е-►э-

со К О К я о п о

43 р

о н

{Я

о

П)

я

к

X

й я

о я п> 43 о

я о

КС

н

03 О) 43 Ьэ о

-Эр

(а!

сг

Механическое перемешивание

Фильтрование жидкостей через слой твердых частиц

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семипятный, Владислав Константинович, 2014 год

г - ■

Р,^

2 РС,

/ * ГЯ ,-лЛ

и,] \ <4 J

1п-

1 +

V

С С

' у

/V. N.

с7з 1 с,

+Тъагс(ё

(1.37)

где рч - плотность частицы, кг/м3; с1ч - диаметр частицы, м; Сн и С - соответственно, концентрация насыщения и в основной массе раствора, кг/м1; Р - коэффициент массоотдачи, м/с.

Сопоставление уравнения 1.36 с эмпирическим уравнением 1.37 позволяет определить численное значение коэффициента массоотдачи, который входит в критерий Нуссельта, и получить обобщенное критериальное уравнение с учетом результатов экспериментальных исследований.

№/„ ^Ю-4'74 -Р^КТ4'43 -Ке-Рг°-48 + 1) (1 38)

где N11 — ¡3 -!0/О - критерий Нуссельта (1о - характерный размер, В - коэффициент молекулярной диффузии); И . критерий Прандтля (V -кинематическая вязкость).

Полученное уравнение справедливо лишь диапазоне Яе = 10+100 и описывает только экспериментальные данные. В целом авторы, строго следовали методу подобия при выводе данного уравнения, однако оно предложено для модельной системы. Основным недостатком, которой можно отметить, что сухое молоко в ней перемешено с инертным порошком. Такой подход резко снизил практическую значимость полученного уравнения.

Дальнейший анализ имеющего материала показал, что попытки создать математический аппарат для расчета процесса растворения имели различные подходы, но пи один из них не дал описания всего процесса в целом. Расчеты проводились либо для экспериментальных данных, полученных на моделях, и имели лишь теоретическую ценность, либо для практического решения в рамках разработки соответствующего оборудования. Для перехода к комплексному решению проблемы с позиции повышения эффективности растворения и снижения потерь необходимо создание модели, которая бы распространялась на весь процесс. Для этого необходимо строго систематизировать, провести анализ и функционально связать уже выявленные факторы, определяющие кинетику процесса и если необходимо ввести новые. На основе теоретических рассуждений и экспериментальных данных построить математическую модель, способную определят критические области процесса в зависимости от свойств сырья и процесса.

Исследование свойств как частиц, так и в целом порошка, поможет при прогнозировании растворимости СМП. Для установления такой взаимосвязи требуется наличие развитой теории растворения СМП, позволяющей определять важность того или иного параметра. Такая теория должна иметь математический аппарат, позволяющий при совмещении с данными по компонентному составу задавать технологические режимы производства и переработки.

Физико-химические свойства сырья, определяются свойствами составляющих его компонентов. Те в свою очередь имеют довольно сложный состав, который изменяется под воздействием тепловой обработки (сушки) [3,12,47,83,98,100].

1.4 Принципиальные технологические схемы и принципы аппаратурного оформления процесса восстановления СМП

Состав и свойства компонентов, а так же структурные свойства сухого продукта во многом определяют технологические режимы. Для рациональной организации ведения технологического процесса предложен ряд схем, созданных на учете использованного оборудования.

Классическая схема производства восстановленного молока и продуктов из него, принятая еще в СССР (А) и не потерявшая свою актуальность и на сегодняшний день, а также оригинальная технологическая схема по Липатову H.H. и Тарасову К.И. (Б) представлена на рис. 1.5 [17,43].

Хранение сухих молочных продуктов

Транспорт ирование

1.

Растаривание

Просеивание

Измельчение крупных комков

Смешивание с теплой водой и растворение

Фильтрование

Охлаждение

А_

Выдерживание

Нормализация

Нагревание

Центробежная очистка

Гомогенизация

Пастеризация

Охлаждение

Процессы дальнейшей переработки

Хранение сухих молочных продуктов

Транспортирование

А.

Растаривание

Просеивание

Измельчение крупных комков

А

Подогревание сухого продукта

Jl

Смешивание с теплой водой и растворение

т

Вакуумирование

А

Центробежная очистка

т

Гомогенизация

А

Нормализация

£

Пастеризация

Охлаждение

Процессы дальнейшей переработки

Рис. 1.5 Принципиальные схемы производства восстановленного молока

Специфическим и общим место во всех приведенных схемах является процесс растворения. Для проведения процесса растворения было предложено несколько типов оборудования, основанных на разных принципах [2,19,32,73].

Принципиальная классификация оборудования для растворения СМП -рис. 1.6 [17,44,73].

Рис. 1.6 Классификация оборудования для восстановления СМП

На основании схемы, предложенной Аксельрудом Г.А., можно предложит следующую классификацию оборудования (рис. 1.7), где классификационным

признаком является направление движение частицы в потоке:

Рис. 1.7 Классификация оборудования для восстановления СМП по признаку направление движения частиц

В процессе растворения происходит взаимодействие двух частей: сухого молочного продукта и воды. Выше было рассмотрены свойства сухих молочных продуктов, однако очевидно, что на процесс (механизм и интенсивность) растворения будет оказывать влияние вода. Рассмотрению ее свойств посвящен ряд работ, представленных в [17]. Доказано влияние химического состава и физических свойств воды на эффективность процесса и последующее становление качественных характеристик продуктов переработки СМП.

Заключение.

Таким образом, анализ научно-технической информации подтвердил, что резервы для совершенствования процесса восстановления СМП и повышения качественных характеристик продуктов переработки далеко не исчерпаны. Колоссальный потенциал заложен в трансфере современных фундаментальных данных и методологических принципов в развитие теории и практики процесса с позиции их адаптации применительно к технологиям переработки СМП, прогнозировать стратегическую, экономическую и социальную значимости разработок и, следовательно, декларировать актуальность данных работ.

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Структура, организация и схема исследований

Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Россельхозакадемии в период 2012-2014 гг. в рамках тематик Россельхозакадемии, а также хоздоговорных работ.

Структура исследований диссертационной работы включала теоретические, экспериментальные, опытно-производственные этапы и состояла из следующих основных блоков: анализ научно-технической информации в рамках проблемы, в том числе с помощью ресурсов Интернет; разработка алгоритма, моделей тисследований, программного обеспечения и определение методов контроля анализируемых величин; проведение комплекса исследований и анализ полученного экспериментального материала; рекомендации по практическому применению результатов исследований; разработка технической документации и освоение технологий.

Работа выполнена в лаборатории молочных консервов ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Россельхозакадемии (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии). Часть исследований, на уровне консультаций и проведения специфичных анализов с применением современных аналитических методов, проводилась в творческом сотрудничестве со специалистами ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности Россельхозакадемии с четким разделением объектов интеллектуальной собственности.

Апробацию технологических решений осуществляли на базе ООО «Уз-ловский молочный комбинат» (г. Узлов, Тульская область) и ООО «Мастер Кондитер» (г. Москва) (см. Приложения 5).

Схема проведения исследований приведена на рис. 2.1.

Формализация проблемы

Анализ научно-технического материала

Теоретически» 'л ап

Разрабохкд модели расширения одной частицы в статике

РазраПош» модели рлезворения кубической сетки час шц

РазрлСкчка номограммы теплового баланса

Формализация модели для практических расче!о в

Коррекции .модели чкег! ер и мен та л ы ш м и данными

Расчет эффект» вност и энергозатрат на иосез ¡шовлеине

Программа для расчета чеплоиоп) баланса процесса восетгшойлешгя

Программа для

определения "(ффектишостя производи венного

Задача исследования "«-.........

Лабораторные нссдедошшпя

Разработка а'норнтш и мскиилш исследования

Разработка |

же н ер и м енгадьцо го I стенда

..г.: '^л.:____________

Проведение | ¡а бора юр) 1ых пС1 д.;; аиий |

аоораю

ег::т

СОМ 11ецм

С С л

Анализ "женернментальных ] данных

Определение факторов

11ро\шшдеття апробация

Разрабою 1'схно; дагнче ско п инструкции

В и еде в »с т\ прошаодешо

Постановка цели исследования

11 рои шодс! венные исследования

Анализ ¡штш.м схем восстановления

Ишег рация модели в типовые схемы

Анализ экспозиции восстановленного молока <8\1>

Аз-кит индекса растворения

.Анализ процесса с учеюм производо 1 венной практик»

Избы гочное

тепловое воздействие

; Избыточное

I мекаиичееше ; воздействие

' . V......

Иссдедовлзше качесчвснуых пока«иелей ВМ

Рис. 2.1. Общая схема исследований 2.2 Объекты исследований

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.

2.3 Методы исследований, приборное обеспечение

При выполнении работы использовали стандартизованные и общепринятые в химико-технологическом и микробиологическом контроле молочных продуктов и воды методы исследований, изложенные в специализированных литературных источниках [34,35,38,39,49,52,70,79,106,108], а также оригинальные методы, комплексно обеспечивающие выполнение поставленных задач.

Повторность опытов на всех этапах выполнения работы не менее 3.

2.3.1 Стандартизованные экспериментальные методы

Стандартизованные методы со ссылкой на первоисточник приведены в таблице 2.1.

Правила приемки, отбора проб молока и молочных продуктов, подготов-

ку их к физико-химическим испытаниям и органолептической оценке проводили в соответствии с ГОСТ 3622-68, ГОСТ 26809-86 и ГОСТ 13928-84. _____Таблица 2.1 - Стандартизованные методы, используемые в работе

№ Наименование показателя Принцип Источник

1 2 3 4

1. Массовая доля влаги и сухого вещества Метод высушивания при (102±2)°С Метод высушивания при (125±2)°С на приборе Чижовой ГОСТ 3626-73 ГОСТ 29246-91 ГОСТ 30305.1-95

2. Массовая доля жира Кислотный ГОСТ 29247-91

3. Массовая доля белка Метод измерения массовой доли азота по Къельдалю и определение массовой доли белка (на Kjeltek-2300) ГОСТ 23327-98 ГОСТ 30648.2-99

Метод формольного титрования ГОСТ 25179-90

4. Титруемая кислотность С применением индикатора фенолфталеина ГОСТ 30305.3-95

5. Активная кислотность Потенциометрический метод (WTWInolab рН Level 1) ГОСТ 30648.5-99

6. Плотность Ареометрически и пикномет-рически ГОСТ 54758-11

1 2 3 4

7. Термоустойчивость Алкогольная проба ГОСТ 25228-82

8. Чистота Фильтрование ГОСТ 8218-89 ГОСТ 29245-91

9. Микробиологические анализы Метод определения редуктазы с метиленовым голубым и ре-зазурином КМАФАнМ на агаре БГКП на среде Кесслера Метод микроскопирования ГОСТ Р 53430-09

Метод определения дрожжей и плесневых грибков, основанный на высеве продукта в питательные среды, определении принадлежности по характерному росту и по морфологии ГОСТ 10444.1288

10. Растворимость сухих молочных продуктов Метод измерения объема не-растворившегося осадка в восстановленной пробе ГОСТ 30305.4-95

11. Массовую долю свободного жира Метод адсорбции дестабилизированного жира на силика-геле ГОСТ 55332-12

12. Органолептическая оценка Сенсорная чувствительность ГОСТ 28283-89 ГОСТ 29245-91

2.3.2 Общепринятые и оригинальные экспериментальные методы

Гранулометрический анализ.

Гранулометрический состав определяли на аналитической просеивающей установке RETSCH серия AS200Control, оснащенной микропроцессорной системой контроля и измерения Amplimatic, поддерживающей постоянную амплитуду вибраций. Все параметры рассева задаются и отображаются в цифровом виде. Результаты обрабатываются программой Easysievet.

Определение показателя «активность воды» (Aw), интегрального показателя хранимоустойчивости [8,10,14,90,94,95], проводили на приборе «Ну-grolab-З» компании ROTRONIC (www, rotronic.сот) с цифровой вентилируемой станцией «AwVC-DIO» и обработкой результатов программным обеспечением

«HW3» (МВИ № 241.224/2008 от 05.03.2008г.) [17]. В работе задействован ускоренный метод анализа - «AwQuick».

В ускоренном режиме работы «AwQuick» прибор используется алгоритм проекции конечного значения Aw пробы продукта. Измерение завершается автоматически и обычно не занимает более 5-7 минут. Разница полученных величин в обоих режимах измерения (Standard и AWQuick) обычно составляет не более 0,005 Aw. По истечении времени инициализации (Dwelltime) программное обеспечение «HW3» использует имеющиеся данные динамики относительной влажности, чтобы на их основе проецировать конечное значение равновесия. Измерение завершается автоматически, если проецированное конечное значение остается постоянно стабильным. В этот момент времени раздается акустический сигнал и индикация «замораживается». При установленном Dwell Time в 4 минуты, процесс измерения обычно занимает не более 5 минут. Продолжительность времени инициализации может быть изменена. Установленное ее значение представляет собой компромисс между скоростью и максимальной точностью измерения.

Вид, интерфейс и технические параметры прибора представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Вид и технические характеристики прибора «Hygrolab-З» с вен-

тилируемой станцией «AwVC-DIO», интерфейс программного обеспечения

IttöSWWftW*'-'---' •з^^х» „ о ^ W Л' ' 3 t WV./ V)W№W«№HMV i Av . ^ , ) '. { :■.' >ч>_. 3 ■'.. - ? i v »ÄMWÖKWiWWMMMWWft L..,™ v™,™,,™_____ ■■ - ^ —* ffffgg say&x'-www^yoow ЩМтмм < ♦ ' * jttf' «в«»' llllll

Измеряемые параметры: Относшельная влажность/активность воды: - 0,001...99,000 % Rh / 0,001...0,999 Aw Температура: -99,9...+999,9 °С Атмосферное давление: 0,000...9999 hPa

Органолептическую оценку СМП и восстановленных композиций дополнительно проводили в соответствии с рекомендуемыми шкалами дегустационной оценки Методических рекомендаций по отбору, тестированию и подготовке дегустаторов молочной продукции, разработанных в ГНУ ВНИМИ Рос-сельхозакадемии совместно с Российским Союзом Предприятий Молочной Отрасли (РСПМО).

Определение массовой доли влаги в молочных консервах определяли с применением влагомера МА-50 фирмы "Sartorius" (www.sartorius.сот). Метод измерения - инфракрасный термогравиметрический по значениям убыли массы навески вещества при высушивании ИК излучением (МВИ № 241.186/2006 от 25.10.2006г.).

Краевой угол смачивания СМП определяли на приборе DSA25E (KRUSS) с программным обеспечением DSA4 по методу лежащей капли. В данном методе измеряется угол между поверхностью и жидкостью в точке контакта трех фаз, в которой соотношение сил межфазного и поверхностного натяжения описывается уравнением Юнга, на базе которого определяется краевой угол. Методологически капля жидкости с известным поверхностным натяжением помещается на твердую поверхность с испытуемым образцом с помощью шприца. Диаметр капли должен быть от 2 до 5 мм, что гарантирует независимость краевого угла от размеров исследуемого объекта. В случае очень малых капелек будет велико влияние поверхностного натяжения самой жидкости (будут формироваться сферические капли), а в случае больших капель начинают доминировать силы гравитации.

Определение эффективности диспергирования жира. Для комплексной оценки однородности и процесса отстоя жира в исследуемых композициях, применяли метод определения «коэффициента устойчивости» жировой фазы (метод Петрова А.Н. - A.c. СССР №1206688) [52].

Метод основан на разделении продукта, находящегося в таре, на условно равные по высоте слои и последующем определении послойного изменения массовой доли жира как функции времени.

Количественно усредненный коэффициент устойчивости определяется по формуле:

Ко = — -1

К v

п

^{ё.-ёУ

(2.1)

где КУ - усредненный коэффициент устойчивости жировой фазы; Ка- коэффициент отнесения, %; gl - массовое содержание жира в ьом слое, %; g - средневзвешенное массовое содержание жира в продукте. %; п - количество слоев разделения.

Коэффициент отнесения - величина условная, имеющая размерность массового содержания жира. Автором метода предлагается трактовать коэффициент отнесения как условную среднюю квадратическую ошибку в предположении, что гипотетически при г ~> да вся жировая фаза продукта переходит в его верхний слой и определять по формуле:

(2.2)

V п-1

Таким образом, с учетом (2.2) определение численного значения «усредненного коэффициента устойчивости жировой фазы» принимает вид:

Кб-

Установлено, что рациональное количество слоев, п, соответствует 4. Подставив п=4 в формулу (2.3), была получена расчетная зависимость для практического определения численного значения «усредненного коэффициента устойчивости жировой фазы»:

кл- ~ ёУ + " ёУ + " + ^ ~ ёУ п АЛ

V (100-вУ+з8> ' (2-4)

На основе результатов анализа послойно отобранных проб, по формуле (2.4) рассчитывается «усредненный коэффициент устойчивости» и по его значению дается характеристики однородности консистенции.

Однородность распределения массовой доли жира по высоте банки оценивается по «разностному коэффициенту устойчивости» жировой фазы:

^ = (2.5)

с?

%

где §г массовое содержание жира в 1-ом слое, %.

Большей равномерности распределения жировой фазы соответствует меньшее значение коэффициента Кр.

Для комплексной оценки однородности консистенции вводится понятие приведенного коэффициента устойчивости: К = (Ку- КР)/(КУ+КР). (2.6)

2.3.3 Методы статистической обработки экспериментальных данных

Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики [4,20,27,33,48,61-63,70,106,107]. 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 потребовалось использовать программную реализацию численного решения дифференциальных уравнений методом Рун-ге-Кутты четвертого порядка. Рассмотрим обыкновенное дифференциальное уравнение, разрешенное относительно старшей второй производной:

У"=Р(х,у) {2.1)

Запишем задачу Коши, введя дополнительную переменную, сводящую

дифференциальное уравнение со второй старшей производной к системе из двух уравнений с первой производной:

У= х

х'= Дх,/).

= (2.8)

Итерационное уравнение для метода Рунге-Кутта задается формулой:

= хп + ^ (£, + 2 к2 + 2 ^ + к4).

6 ' (2.9)

Рекуррентные соотношения для коэффициентов уравнения вычисляются следующим образом:

(2.10)

( 1 и\

V ^

1 1 г( 1 , ^

V ^

где Ь — величина шага сетки по I.

Метод имеет четвёртый порядок точности ОСИ4), ошибка на каждой итерации составляет порядка 0(к5).

Метод наименьших квадратов. Экспериментальные данные связывались уравнениями с использованием средств регрессионного анализа. Рассмотрим линейную функцию:

у = а0+ а{х{ + а2х2 +... + а„хп, ^ л 1 ^

и найдем коэффициенты ао, ..., а,„ оптимальные с точки зрения метода наименьших квадратов, когда минимизируется сумма квадратов отклонений реально наблюдаемых ук от их оценок:

А'

(2.12)

где N - объем выборки наблюдаемых значений, Хк - соответствующая ук выборка из х.

Решение задачи регрессионного анализа методом наименьших квадратов с необходимостью лежит в точке минимума функции невязки:

Условие минимума функции невязки:

дст(а)

■ = 0 да,

¡ = 0...И

(2.13)

(2.14)

Учитывая линейность исходного уравнения для у, полученная система является системой п+1 линейных уравнений с п+1 неизвестными ао, ..., а„,легко решаемой методом Гаусса.

Статистическая обработка и визуализация экспериментальных данных проводилась с применением методов матричной алгебры с помощью программ «Mathematica», «Microsoft Excel» и др.

2.4 Лабораторный стенд для исследований процесса растворения в квазистатических условиях

Для развития теории растворения и получения практических решений создана лабораторно-экспериментальная установка - рис. 2.2.

Установка позволяет проводить эксперимент последовательно раз за разом. Рассмотрим процесс итерации. Установка работает по принципу сообщающихся сосудов. Предварительно в узел гидратации 4 на фильтр 6 равномерно засыпают исследуемый образец продукта (сухого обезжиренного молока (СОМ) - 9,0г; сухого цельного молока (СЦМ) - 12,5г; сухих сливок (ССл) -16,0г). В резервуар 1 подают бидистиллят (t 20-22°С), который посредством регулировки кранов 2, 2', 2" и 3 заполняет патрубки 7 и 8. В дальнейшем, отсутствие воздушных включений в патрубках при повторном проведении эксперимента обеспечивают посредством перекрытия кранов 2, 2' и 3. С помощью крана 2' выставляют нулевой уровень воды в резервуаре. Скорость подачи воды в патрубок 8 регулируют краном 2 в диапазоне (2,5±0,1) мл/мин. Для поступления воды в узел гидратации кран 3 выставляют в положение патрубки 8-9. После поступления расчетного количества воды в узел гидратации 4 (для СОМ -91,0г; для СЦМ - 87,5г; ССл - 84,Ог) и по прошествии определенных временных промежутков (0,5; 1; 1,5; 2; З...24ч) с момента завершения поступления воды, посредством перевода крана 3 в положение патрубки 8-10 осуществляется забор раствора, в котором определяют массовую долю сухих веществ арбитражным методом. Нерастворившееся количество продукта с фильтром удаляют и после очистки узлов гидратации маршрута патрубков 9-10 с краном 3 проводят следующее исследование.

1»

.......

1 и-• •.....

и-¥ '<■

Г

; к М- ' ':>

у \ ......... —"'

/ / < / /> / //

\

ЧСШШ \

Общий вид Узел гидратации

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

квазистатических условиях

где I - резервуар с бндистиллированной водой; 2. 2', 2" - двухходовой кран с системой тонкого регулирования потока; 3 - трехходовой кран 4 - узел гидратации сухих молочных продуктов; 5 - каркас установки; 6 - фильтр из иглопробивного термоскрепленното 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.

46

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ С ПОЗИЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ

Производственная система на базе концепции бережливого производства начала разрабатываться в начале 50-х годов XX века для автомобильной промышленности [16,93,99]. Быстро доказав свою эффективность и иннова-ционность, она распространилась по всему миру и нашла применение в различных индустриях. При этом общий принцип производственной системы сохранился - повышение общей эффективности путем создания единой производственной культуры, аккумулирующей и распространяющей передовые практики по всему предприятию.

Концепция бережливого производства делит всю деятельность предприятия на операции и процессы, добавляющие и не добавляющие ценность для потребителя. Задачей «бережливого производства» является планомерное избавление от процессов и операций, не добавляющих ценности. Целевая концепция реализуется вовлеченными в Активную среду сотрудниками, использующими Инструменты бережливого производства.

Среди основных инструментов Производственной системы можно выделить стандартизацию производственных процессов; диагностику производственных операций и выявление потенциала улучшений; такие формализованные методы, как MIFA - анализ потоков материалов и информации, SMED - быстрая переналадка оборудования, 6 sigma - контроль и минимизация отклонений качества готовой продукции, ТРМ - общая эффективность обслуживания оборудования.

По экспертным данным в странах Таможенного союза индустрия молочной промышленности ежегодно теряет миллиарды рублей из-за потерь при производстве, обработке и доставке продуктов до конечного потребителя [103,105,111]. Использование методов бережливого производства может помочь производителям лучше понять своих потребителей, минимизировать издержки производства и повысить производительность и качество продукции.

Целью внедрения Производственной системы является улучшение финансовых показателей компании и преобразование производственной культуры. В молочно-консервной отрасли, в первую очередь, ощутимые экономические результаты достигаются за счет устранения производственных потерь, связанных с неэффективным расходом сырья и/или работой оборудования. Данные вид потерь в том числе непосредственно связан с процессом восстановления СМП. Разработанная в ГНУ ВНИМИ схема (см. рис. 3.1) промышленного восстановления СМП позволила не только улучшить качественные характеристики восстановленного молока, но и снизить расход сырья, связанный с потерями на фильтрации и центробежной очистителе. Экономия от внедрения схемы составила до 350 рублей на тонну сухого вещества.

" ................................................. 1

-

Пруиос-гы дальней ик>й «ерерв&омч*

Рис. 3.1. Принципиальная схема восстановления СМП ГНУ ВНИМИ

Однако в разработанной схеме учитывается энергоэффективность процесса - минимальное количество энергии необходимое для восстановления СМП и отсутствуют детализированные данные по рациональным способам передачи энергии.

Анализ процесса с позиции производственной системы (рис. 3.2) позволил идентифицировать наиболее вероятные точки производственных потерь.

Обязательные процессы

Метод ПС

Эиергозатрягы процесса

Задячя

Приемка и подготовка сырья

Технология восстановленных продуктов

Хранение

| Производственные I процессы

'.........................i......................

Восстановление сухого молока 1

Идентификация производственных потерь

Качество продукта Энергозатраты Потери сырья

1 1 1

М Механическое ШфСБ воды воздействие Охлаждение ВМ

Целесообразность

ИЛОЫ'ЮЧНОСТЬ

воздействия

Целесообразност ь

где ПС - производственная система; ВМ - восстановленное молоко Рис. 3.2 Принципиальная схема дефиниции значимых производственных потерь в технологии восстановления сухих молочных продуктов

Как видно из представленной схемы одной из составляющих производственных потерь являются энергозатраты. При этом 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...2,0 кВт. Однако в технических характеристиках анализируемого типового оборудования нет фрагментации по производительности в зависимости от вида сырья, не указаны температурные и концентрационные параметры воды и продукта. Энергозатраты процесса (Эп) восстановления в первом приближении можно представить как: Э1Т = Эт.0. + Э„., 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, не учитываются 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 принятой на производстве схемы. Формирование энергозатрат процесса представлено на рис. 3.3, из которого следует, что затраты на подогрев воды порядка 2°С сопоставимы с максимально предлагаемыми энергозатратами оборудования.

Е.кВт ч 10г

5°С

7.5°С

Ю°С

;,СС

5 10 15 20

Рис.3.3 Графическая интерпретация формирования энергозатрат

процесса восстановления.

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 для процесса "набухания белка" в течение 0,5...3,0 ч. В этом случае энергозатраты на подогрев/охлаждение априори увеличиваются. При этом в работе [17] путем систематизированных исследований формирования показателя «активность воды» установлено, что длительность процесса для нормированных концентраций обезжиренного и цель-

ного восстановленного продукта составляет: при температурах 40 и 60°С не более Змин., а при 10°С - не более 6 мин. с момента окончания растворения. Повышение концентрации восстановленного продукта в 2-5 раз приводит к разнонаправленным изменениям, связанным с концентрационными особенностями макрокомпонентов системы, но длительность процесса для всех случаев не превышает 8 минут. Доказана нецелесообразность ранее рекомендуемой экспозиции восстановленных продуктов на производстве от 0,5 до 6 часов и более. Однако указанные результаты получены в лабораторных условиях и требуют промышленного подтверждения.

Учитывая ежегодные объемы переработки СМП в России (более 170 тыс. тонн) и вышеуказанное отсутствие единых подходов к процессу восстановления, становится очевидным целесообразность и потенциал внедрения Производственной системы в данную область с позиции оценки энергоэффективности технологии, а также потерь сырья и 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.

ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ СУХИХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ: МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УТОПЛЕНИЯ

4Л. Критические параметры статической системы для утопления -случай одной частицы

Для развития теоретических и практических основ процесса восстановления создана математическая модель утопления нерастворимой шарообразной частицы с гладкой поверхностью в условиях полной статики (в т.ч. как допущение - её спонтанное образования на поверхности) при плотности частицы от 1050 до 1750 кг/м3 и значениях краевого угла смачивания от 0° до 180°. Установлена скорость погружения частицы после ее утопления при условиях: частица нерастворима, длина пути бесконечна.

Случай неполного погружения

Схема равновесного взаимодействия при трехфазном контакте Т-Ж-Г представлена на рис. 4.1 (проекция на Oxz). На рис. 4.2 представлена визуализация возможных конфигураций угла смачивания. 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;

• 0 —■ угол смачивания, град. Диапазон значений: 0° — 180°;

• 0 — 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.

52

Рис 4.1 Погружение частицы в жидкость

Рис. 4.2 Визуализация конфигурации угла смачивания: а) в = 180°, Ь) в = 90°, с) в = 0°

Введем обозначение (разность между углом смачивания и углом погружения является основным параметром, влияющим на равновесие системы, см. далее):

а = в~д. (4.1)

Сила поверхностного натяжения

Краевой угол смачивания - угол в точке трехфазного контакта между касательными к поверхности частицы и к поверхности жидкости.

Сила поверхностного натяжения образует в точке контакта угол с касательной к частице, равный углу смачивания. Модуль вертикальной проекции на ось Oz поверхностного натяжения равен:

a.z — от eos ^ — в + = a sin а. (4.2)

Расчет силы поверхностного натяжения ведется по длине границы трехфазного контакта. В данном случае — это окружность радиуса

r = Rs тд. (4.3)

Соответственно, длина окружности равна

I = 27r/?sini9. (4.4)

Результирующее значение компоненты Oz силы равно

Fa = 2nRa • sin д ■ sin а. (4.5)

Радиус кривизны жидкости

Представим, что неискривленная поверхность жидкости соприкоснулась с частицей в точке L (рис. 4.3) и поднялась в точку А по поверхности частицы радиусом R, 9о - угол между радиусами, проведенными к точкам L и А.

Rk

\

/

ч

'Ж/ ж

Г' А'А А " , 'А"' *

Рис. 4.3 Частица, смоченная жидкостью (в промежутке между двумя частицами)

Проведем через точку А перпендикуляр к поверхности жидкости до точки В, тогда высота капиллярного подъема равна длине отрезка АВ.

Поскольку размеры рассматриваемых частиц малы, величины зазоров относительно тоже не велики. Тогда профиль искривленной поверхности жидкости является сферическим, так как влияние силы гравитации на него несущественно. Следовательно, профиль мениска представляет собой окружность, касающуюся частицы в точке контакта А и поверхности неискривлеп-ной жидкости в точке Б. Таким образом, окружность лежит на двух касательных АО' и ОБ'. В треугольнике ОАБ' угол ОАБ' равен сумме прямого угла и угла смачивания:

ОАО'=~ + в (4.6)

2

ШО = --а (4.7)

2

Следовательно, угол между касательными равен

АОП=сс (4.8)

Для расчета радиуса кривизны рассмотрим треугольник АСЮ\ По теореме синусов:

К АО

eos a sin i90

(4.9)

Окончательно, радиус кривизны можно найти из прямоугольного треугольника AD'C, в котором угол AD'C равен / 2

sini9n сс _ ,, ,

А1У=-- tan — R. (4.10)

cosa 2

Зная радиус кривизны жидкости можем рассчитать h — \Н — h0\, на которую поднимается жидкость:

h = |2

i

Сила Архимеда

а -д

■sin—|. (4.11)

Род 2

Сила Архимеда направлена вверх по оси Ог и разделяется на две части: РА1 - силу, действующую на смоченную, но не погрузившуюся ниже уровня

неискривленной поверхности жидкости, и РА2 - силу, действующую на погруженную часть частицы.

Первая компонента. Если бы погруженный сегмент частицы был заменен жидкостью, то гидростатическое давление было бы равно весу столба жидкости объемом пг2/г, где к — И — к0. Между высотой, на которую поднимается жидкость, углом погружения т9 и поверхностным натяжением существует установленная в (4.11) взаимосвязь. Имеем соотношение для силы:

= 2гсг2л/р0да8т^. (4.12)

Вторая компонента выталкивающей силы действует на сегмент шара высотой

к0 ^ ЯСг + соБ-в). (4.13)

Соответственно, объем сегмента равен

V

-I

ЙСОЭ^ гЯ.

тс (Я2 - х2) йх + ТС (Я2 ~ X2) йх

г

->п

(4.14)

-тг/?3(2 - со5т9)(со5т9 + I)2. 3

В результате, имеем выражение для второй компоненты силы Архимеда (графики сил Архимеда для СОМ представлены на рис. 4.4): 1

Рлг = з пЯ\2 - С05Т9)(С05Т9 + I)2 -р0-д.

(4.15)

О:*.«

X

о.аюы

в.0'.<Н0 ШЮ'КХ

П.ЮТ'М О ГГ:А1С2

Рис. 4.4 (а) Рд1 и (Ь) Ра2 в зависимости от угла погружения

Сила тяжести

Сила тяжести направлена вниз по оси Ог и равна:

РТ Р9-

(4.16)

Баланс сил

Сила Архимеда и проекция силы поверхностного натяжения на ось Oz направлены вверх, сила тяжести направлена вниз. Учитывая это, запишем уравнение баланса, при котором частица будет находится в равновесном состоянии в жидкости:

Fa + FA1+FA2-FT = 0. (4.17)

Распишем входящие силы - равенства (4.5), (4.12), (4.15), (4.16).

[(2 - eos#)(cos$ + 1)2р0д - 4pg]R2 + 6jpQgosind sin^ R +

z (4.1 o)

6a sin d sin a — 0.

Для данной системы можно определить радиус частицы, необходимый для установления равновесия сил с углом погружения дс. При этом при малых т9с (0 - 5 град) происходит самопроизвольное утапливание частицы.

Зависимость R(0,p) представлена на рис. 4.5 и 4.6. Минимальный размер частицы, требуемый для самопроизвольного утапливания равен 0,05 мм для i9c=5° (угол смачивания в - 5°, плотность - 1700 кг/м3) и 0,15 мм для i9c=0,l° (угол смачивания в — 5°, плотность - 1700 кг/м3).

Рис. 4.5 /?(0,р)- критический радиус при 79с=5° (А) с детализацией при фиксированных значениях плотности (В )

В

©

Рис. 4.6 Я(в, р) — критический радиус при дс=0,1° с детализацией при фиксированных значениях плотности (В) Приа > 0 уравнение имеет решение, так как:

(4.19)

Ро < Р

(2 - СОБ-в)(1 + СОБ-д)2 < 4 При а < 0 возможно два варианта: отсутствие или наличие строго одно-

го значения радиуса для каждого конкретного угла погружения в рассматриваемом диапазоне параметров системы (0 и р).Пример на рис.4.7 - положение частицы ср=1400кг/м3и значением 9=50оне стабилизируется при угле $с=90° (А) ни при каком радиусе, но стабилизируется при т9с=45°(В).