Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ИВАНОВА СВЕТЛАНА АНАТОЛЬЕВНА
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МОЛОЧНО-БЕЛКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Кемерово 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (ФГБОУ ВПО КемТИПП) Научный Доктор технических наук, профессор консультант Просеков Александр Юрьевич Официальные Доктор технических наук, профессор оппоненты Буянов Олег Николаевич Доктор технических наук, профессор Евдокимов Иван Алексеевич Доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент Россельхозакадемии Мотовилов Константин Яковлевич Ведущая Государственное учреждение Ярославской организация области Ярославский государственный институт качества сырья и пищевых продуктов
Защита диссертации состоится л14 марта 2012 года в 10на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 в ФГБОУ ВПО КемТИПП по адресу: 650056, Кемерово, бульвар Строителей,47.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО КемТИПП, на официальном сайте Минобрнауки РФ (vak.ed.gov.ru), сайте КемТИПП (www.kemtipp.ru).
Автореферат разослан л февраля 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета Н.Н. Потипаева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из направлений концепции развития здравоохранения до 2020 года в рамках приоритетного национального проекта является формирование здорового образа жизни, предусматривающее оптимизацию режима и характера питания. При этом здоровая пища должна быть не только сбалансированной, полезной, разнообразной и вкусной, но и доступной всему населению страны.
К продуктам, обладающими вышеперечисленными свойствами, можно отнести молочные, однако, в условиях дефицита недорогого молочного сырья, основной задачей является не только обеспечение населения полноценным питанием, но и снижение стоимости продукта на молочной основе, благодаря полному использованию всех составных частей молока и минимизации расходов, связанных с утилизацией отходов. Для этого необходимо на каждом этапе от создания до производства продукта минимизировать расходы, не теряя качества. Решить эту задачу можно только комплексно: проводя научные исследования и, на их основе, разрабатывая технологии.
Производство молочных продуктов на основе обезжиренного молока с включением в технологическую схему операции аэрирования позволяет разнообразить товарный ряд, улучшить вкусовые качества, одновременно снижая себестоимость как основного молочного продукта, так и произведенного из сопутствующих побочных продуктов его производства.
Основным процессом в технологии формирования газожидкостных дисперсных систем (ГДС) является газонасыщение (аэрирование), которое формирует основные характеристики продукта, определяющие его конкурентоспособность как по качеству, так и по стоимости.
Технологии интенсификации производства молочных продуктов, в том числе на основе ГДС, нашли отражение в трудах Н.Н. Липатова, Л.А. Остроумова, А.Ю. Просекова, В.Д. Харитонова, А.Г.
Храмцова, В.Ф. Юдаева, E. Dickinson, S. Kamath, B.S Murray и др.
Основным недостатком исследований в молочной промышленности, как впрочем, и пищевой в целом, является отсутствие системного подхода в использовании математического аппарата. Процессы, связанные с созданием аэрированного продукта (коагуляция, ультрафильтрация, пенообразование), можно рассмотреть как стохастический объект, поэтому в работе, в качестве основного, предлагается аппарат теории случайных процессов, математической статистики в сочетании с элементами математического анализа и дифференциальных уравнений. Такой подход позволяет получить вероятностновременные характеристики процесса уже на стадии создания продукта, т.е. исследовать его системно.
Обычно, для получения ГДС заданного качества совершенствуют состав аэрируемой смеси либо конструкцию пеногенератора.
Предлагается комплексный подход к исследованию, состоящий в одновременной проработке направлений и усовершенствования состава смеси и технологий газонасыщения, подтвержденных математическими моделями и методами. В качестве основных объектов исследования выбраны концентрат белков обезжиренного молока, полученный совместным использованием коагуляции и мембранных методов, и роторно-пульсационное устройство (РПУ), как оборудование для газонасыщения.
Теоретические и практические аспекты создания РПУ изложены в работах Л.Г. Базадзе, М.А. Балабудкина, А.М. Балабышко, В.И. Биглера, Г.Ю. Будко, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, И.А. Рогова, В.Д. Харитонова, W. Hanselmann, N. Mller-Fischer и др.
Учитывая, что исследования, как в теоретическом, так и практическом плане, направлены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья и производство экологически безопасных и доступных продуктов питания, то тема актуальна.
Отдельные этапы работы выполнены в рамках ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-20годы, ФЦНТП Приоритетные направления развития науки и техники (2002-2006), при поддержке гранта РФФИ 09-07-00185а Разработка моделей и методов анализа эффективности функционирования большемасштабных распределенных вычислительных систем (20092011).
Целью работы является теоретическое обоснование, интенсификация и моделирование технологий молочных продуктов на основе газожидкостных дисперсных систем.
Для реализации поставленной цели, при выполнении работы решались следующие задачи:
- провести анализ теоретического и экспериментального материала в области получения молочных ГДС и развития сырьевой базы для получения ГДС на молочной основе;
- раскрыть аспекты интенсификации технологий молочных проду- ктов на основе ГДС;
- разработать и реализовать математические модели процессов коагуляции и ультрафильтрации белков обезжиренного молока, определяющих свойства МБК;
- провести анализ способов получения ГДС из МБК в пеногенераторах различной конструкции;
- провести математическое моделирование процесса формирования ГДС;
- исследовать характер влияния концентрата молочных белков на качество ГДС;
- исследовать влияние условий роторно-пульсационной обработки на пенообразующие свойства МБК;
- оценить влияние компонентов немолочного происхождения на пенообразующие свойства МБК;
- реализовать результаты исследований в принципах производства новой продукции на основе молочных ГДС, сформулировать рекомендации;
- внедрить результаты работы на предприятиях отрасли.
Научная новизна. На основе развитых методов теории случайных процессов предложен математический аппарат, позволяющий поэтапно описать процесс создания аэрированного молочного продукта.
При описании распределения частиц дисперсной фазы ГДС по размерам для вычисления среднего размера предложено использовать распределение Эрланга; разработана методика определения параметров.
Разработаны стохастические модели процессов кислотной коагуляции и ультрафильтрации белков молока. Предложены метод получения дифференциальных уравнений непосредственно для математических ожиданий и дисперсий, методика вычисления параметров построенных моделей, описывающих технологические процессы переработки дисперсных систем молока, на основе экспериментальных данных.
Проведены исследования, обосновывающие целесообразность использования МБК в качестве основы аэрированных продуктов. Экспериментально подтверждена эффективность использования РПУ для создания аэрированных молочных продуктов. Разработана стохастическая модель процесса пенообразования в РПУ. Предложена методика получения и вид функции, зависящей от времени, описывающей динамику разрушения ГДС; на ее основе выработаны рекомендации о продолжительности процесса газонасыщения. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены режимы роторнопульсационной обработки МБК с позиций формирования ГДС заданного качества. Получена формула для вычисления площади межфазной поверхности ГДС. Изучены закономерности технологий аэрирования молочного сырья в зависимости от технологических факторов.
Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований сформулированы требования к технологическим процессам, связанным с созданием аэрированного молочного продукта: параметры и режимы сквашивания, мембранного концентрирования обезжиренного молока; аэрирования МБК в РПУ;
формирования ГДС с учетом концентраций белков МБК, компонентов немолочных добавок.
Техническая новизна разработанных технологических решений подтверждена двумя патентами РФ на изобретения. Разработана техническая документация на производство новых видов аэрированных молочных продуктов: аэрированные молочные десерты Nature harmony, Fruit lightness (ТУ 9228-148-02068315-2011, ТУ 9224-14902068315-2011); сырки Суфле творожное в глазури (ТУ 9222-13502068315-2010); муссы творожные Нежность (ТУ 9222-15002068315-2011); пасты творожные плодово-ягодные (ТУ 9222-10102068315-2009).
Автор защищает:
- концепцию интенсификации и совершенствования технологических процессов образования ГДС на молочной основе;
- математический аппарат, основанный на развитых методах теории случайных процессов, позволяющий как комплексно, так и поэтапно количественно описать процесс создания аэрированного молочного продукта;
- новые технологические решения производства аэрированных молочных продуктов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях: Томск (2002); Улан-Удэ (2003); Москва (2010, 2011); Минск (2010, 2011); Кемерово (2010); Тамбов (2010), Ставрополь (2011); Воронеж (2011); Самара (2011); Челябинск (2011);
Екатеринбург (2011); Магнитогорск (2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 57 работ, в том числе три монографии, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, глав, основных результатов и выводов, списка литературы (412 наименований) и приложений. Работа изложена на 319 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 148 рисунков, приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность направлений исследования, дана общая характеристика работы, сформулированы научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Аналитический обзор. Обобщены и систематизированы литературные сведения отечественных и зарубежных авторов по составу и свойствам молочного сырья, изучены строение, свойства белков молока и способы получения их концентратов. Обоснована возможность их использования в технологии ГДС. Рассмотрены основные способы и оборудование аэрирования пищевых сред. В заключении сформулированы цель и задачи исследований.
Глава 2. Структура работы и организация проведения исследований. Описана методология проведения теоретических и экспериментальных исследований, общая схема которых представлена на рис. 1. Исследования реализованы в соответствии с поставленными задачами в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (ФГБОУ ВПО КемТИПП) в течение 2003-2011 годов.
На первом (теоретическом) этапе проводили литературный анализ состояния научной проблемы, сформулировали цель и задачи исследований, обосновывали направления интенсификации технологий создания аэрированных молочных продуктов: математическое моделирование, улучшение состава вспениваемой системы, эффективное оборудование.
Обосновывали использование концентрата белков обезжиренного молока в качестве основы аэрированных молочных продуктов. В связи с разработкой технологий получения молочно-белковых концентратов с заданными свойствами и для организации процесса, создавали модели, описывающие коагуляцию и ультрафильтрацию белков молока. В качестве параметров процессов переработки молочного сырья, рассматривали водородный показатель pH и массовую долю сухих веществ, зависящих от времени. С учетом полученных результатов предлагали методику вычисления параметров построенных моделей для описания этих процессов. На основе разработанных моделей формулировали рекомендации по организации экспериментальных исследований процессов переработки (коагуляция, ультрафильтрация, пенообразование) молочного сырья.
Выявляли наиболее перспективные для газонасыщения типы оборудования. Формулировали критерии качества ГДС, которые определяются плотностью, устойчивостью, распределением по размерам частиц дисперсной фазы, площадью межфазной поверхности. Для вычисления последней выводили формулу через средний размер частиц дисперсной фазы и объемную долю газа в ГДС.
В связи с разработкой технологий получения аэрированных продуктов на основе МБК предлагали рассматривать технологические процессы как стохастический объект, что позволило, используя методы теории случайных процессов, строить модели, описывающие создание и разрушение частиц дисперсной фазы ГДС в процессе формирования. Для оценки эффективности процесса в качестве основы вычислений показателей эффективности использовали среднее число частиц дисперсной фазы ГДС и дисперсию. Разрабатывали методику определения значений параметров стохастических моделей. Предлагали вид функции, зависящей от времени, которая описывает скорость разрушения ГДС. На основе проведенного математического моделирования формулировали рекомендации по организации экспериментальных исследований процесса аэрирования молочного сырья.
На втором (экспериментальном) этапе изучали влияние технологических факторов и процессов (пастеризации, сквашивания, ультрафильтрации (УФ)) на закономерности концентрирования белков молока. Полученные результаты использовали при оценке функционально-технологических свойств МБК.
Проводили сравнение способов получения молочных газожидкостных дисперсных систем при обработке молочного сырья взбиванием, диспергированием с принудительной подачей газа и интенсивным гидромеханическим воздействием в многофункциональном аппарате. Оценивали влияние технологических факторов воздействия на пенообразующие свойства МБК.
На основании анализа результатов проведенных экспериментов рассматривали возможность интенсификации технологических процессов, связанных с производством молочных продуктов на основе ГДС, при роторно-пульсационной обработке. Изучали пенообразую- ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МОЛОЧНО-БЕЛКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ Исследование влияния техноло- - коагуляция гических факторов и процессов - ультрафильтрация на закономерности концентри- - параметры процессов рования пенообразующих аген- - концентрирование белков тов (белков молока) - стохастические модели Интенсификация технологиче- - способы получения ГДС ских процессов формирования - структура ГДС ГДС на основе МБК в условиях - пенообразующие свойства МБК интенсивного механического - параметры обработки воздействия - параметры эффективности - стабилизаторы структуры Совершенствование технологий - полиолы и разработка принципов проек- - плодово-ягодные добавки тирования газожидкостных дис- - технология внесения персных систем на основе мо- - формирование структуры ГДС лочно-белковых концентратов - межфазная поверхность - модель Эрланга - рецептуры Разработка технологии аэриро - состав и свойства продукции ванных молочных продуктов -рекомендации по использованию - технологии Практическая реализация - техническая документация результатов работы - апробация и внедрение - показатели безопасности Рис. 1. Общая схема проведения исследований щие качества МБК. Проводили работы по изучению механизма формирования структуры ГДС в зависимости от значений технологических параметров (скорость вращения ротора, величина межцилиндрового зазора ротора и статора, коэффициент заполнения рабочей камеры, продолжительность газонасыщения, температура и pH аэрируемой системы) при роторно-пульсационной обработке.
Совершенствовали технологии и разрабатывали принципы проектирования ГДС на основе молочно-белковых концентратов, в том числе с привлечением сырья немолочного происхождения, как для обеспечения устойчивости (за счет стабилизаторов структуры), так и придания новых потребительских свойств продукции (пищевой ценности, органолептических и функциональных характеристик).
На завершающем этапе создавали схему, которая позволила наметить направления создания и использования новых видов молочных продуктов на основе ГДС. По результатам исследований разработали и утвердили техническую документацию (ТУ) на новые виды молочных продуктов. Изучали состав и свойства продукции, режимы и продолжительность хранения, осуществили внедрение результатов на предприятиях отрасли Кемеровской, Московской, Рязанской областей, Алтайского и Краснодарского краев.
На разных этапах объектами исследований являлись: молоко коровье обезжиренное; закваски культур молочно-кислых бактерий прямого внесения FD-DVS CH-N-19 (состоящие из Lactococcus lactis spb.
cremoris, Lactococcus lactis spb. lactis, Leuconostoc mesenteroidis spb.
cremoris, Lactococcus lactis spb. lactis biovar diacetylactis) и EZAL U-D MYE 96 (состоящие из Streptococcus termophilus, Lactobacterium delbrueckii spb. bulgaricus), приготовленные в соответствии с действующей инструкцией по приготовлению и применению заквасок на предприятиях молочной промышленности; молочно-белковые концентраты (МБК), полученные УФ, как свежеприготовленные, так и восстановленные из сухих концентратов (изготовленных вакуумной сушкой, патент №2426462); стабилизаторы (крахмал, желатин, агар, пектин, гуаровая камедь (ГК), моноглицериды (МГ)); сахара (сахароза, глюкоза, фруктоза) и сахарозаменители (ксилит, сорбит, Мил форд Зюсс, Сурель Голд; Сукразит); пюре (яблочное, клюквенное, морковное, тыквенное); аэраторы различных конструкций (диспергаторвзбиватель (ДВ), диспергатор с принудительной подачей газа (ДПП), гидродинамический измельчитель-диспергатор ГИД-100/1 (рис. 2), разработанный, изготовленный и смонтированный в ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии); ГДС с различным составом и свойствами.
Устройство роторного типа предназначено для измельчения, диспергирования, газонасыщения и термообработки жидких, вязких и пастообразных пищевых продуктов, включает в себя корпус с входным и выходным патрубками, ротор, размещенный на вертикальном валу привода соосно с входным патрубком, и коаксиально закрепленный в корпусе неподвижный статор, выполненные в виде концентрических рабочих элементов со сквозными проточками, а также устройство для регулирования зазора между ротором и статором и узел уплотнения вала.
Рис. 2. Гидродинамический измельчитель-диспергатор ГИД-100/При выполнении работы использовали стандартные, общепринятые и оригинальные методы исследований, в том числе математические, физико-химические, микробиологические, биохимические, органолептические и другие.
Экспериментальные данные обрабатывали стандартными методами математической статистики. Для построения математических моделей использовали аппарат теории вероятностей и случайных процессов, модели теории массового обслуживания.
Глава 3. Исследование влияния технологических факторов и процессов на закономерности концентрирования пенообразующих агентов (белков молока). Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния, в зависимости от факторов, технологических процессов на закономерности формирования концентрата белков обезжиренного молока.
Для интенсификации процесса концентрирования белков обезжиренного молока проводили сквашивание внесением заквасок молочно-кислых бактерий с целью укрупнения мицелл казеина. Процесс изучали по изменению уровня активной кислотности pH:
pH() = -lg([H+()]), (1) где [H+()] - концентрация ионов водорода в растворе в момент времени , [0, ).
Для анализа эффективности процесса кислотной коагуляции белков молока, рассматривали его как стохастический объект, функционирование которого представили размеченным графом состояний (рис. 3). Каждая частица лактозы, находящаяся в молочном сырье, в любой момент времени , либо осталась сама собой (состояние C0 ), либо объединилась с ферментом (состояние C1 ), выработанным молочнокислыми бактериями, либо стала частицами молочной кислоты (состояние C2 ). Переход частицы из состояния Ci в состояние C и j обратно осуществляется случайно, в соответствии с экспоненциаль- ным законом, с интенсивностя0 i i ми i =1/cp, =1/, ,cp - C0 C1 Ccp cp среднее время образования и распада ферментно-лактозного комплекса и Рис. 3. Размеченный граф сосреднее время перехода ферментностояний системы S при молочлактозного комплекса в молочную нокислом брожении кислоту, соответственно, i = 0, 1.
Обозначили через M1( ) - среднее число частиц молочной кислоты, а D1 ( ) - дисперсию этого числа частиц в момент времени [0,). При начальных условиях M1( ) = N, D1( ) = 0, 0 [0,), составили систему дифференциальных уравнений, решение которой имеет вид:
0 - ) 0 -0 ) M1( ) = N ea( - eb( + 1, (2) a (a - b) b (a - b) D1( ) = M1( ) (M1( ) / N -1), (3) где, a,b = - (0 + 1 + ) (0 + 1 + )2 - 40 / 2, N - число частиц лактозы в начале процесса.
Молочная кислота является слабой кислотой и в дальнейшем диссоциирует, дис ( ) - ее степень диссоциации. Константа диссоциации молочной кислоты при T = 37oC незначительно отличается от ее значения при T = 25oC. Однако анализ экспериментальных данных показал, что при ферментации молока одновременно происходят и другие физико-химические процессы, которые все же влияют на изменение уровня pH, поскольку не все ионы водорода, отделившиеся от молекул молочной кислоты в результате диссоциации, остаются свободными и изменяют значение активной кислотности раствора.
Учитывая, что большая их часть вступает в реакцию с другими компонентами обезжиренного молока, зависимость концентрации ионов водорода от продолжительности записали в виде:
+ + [H ( )] = [H ]0 + ( ) [K ( )], (4) где [H+]0 - начальная концентрация ионов водорода, [K ( )] = M1( ) / N, N 6,022 1023 1/моль - число Авогадро, A A ( ) = дис ( ), параметр ( 0 < 1) определяет долю ионов водорода, оставшихся свободными в растворе после диссоциации, и зависит от состава раствора и физико-химических показателей процесса.
Для лидеальных растворов этот параметр можно положить равным 1, -в нашем случае он составил порядка 10. Степень диссоциации молочной кислоты находится из уравнения = (дис ( )) [K ( )] /(1 - дис ( )) или по формуле дис ( ) = + - 4 [К ( )] /(2[К ( )]), где 1,4 10-4, [0,).
Применили модель для изучения процесса кислотной коагуляции (рис. 4) белков обезжиренного молока с целью определения дозы (3-7%) и вида закваски молочнокислых бактерий (I - III серия эксперимента - использование закваски мезофильных, термофильных культур и их смеси, соответственно). По экспериментальным данным этих трех групп исследований определили значения параметров 5,9 ;
3,6; 5,1 ч, интервалы изменений значений интенсивности образования ферментно-лактозного комплекса 0 = 0,006...0,260, 0,090Е1,6, 0,004Е0,050 1/ч, соответственно, при интенсивности 0,001 1/ч.
Интенсивность 1 = 10-20 1/ч, отражающая возможность распада образованного ферментно-лактозного комплекса, осталась неизменной для этих трех групп. Ошибка расчета значения рН до 10% во всех трех случаях.
Поскольку параметр 0 =1/, где ср - средний интервал вреср мени между поступлениями соседних требований, характеризует скорость поступления фермента в раствор, то фактически его значения описывают способность той или иной закваски к кислотообразованию, а именно - к образованию необходимого фермента для расщепления лактозы до молочной кислоты. Анализируя интервалы значений этого параметра для трех групп исследований, пришли к выводу, что в 6,4 6,pH pH 5,5,4,4,0 1 2 3 4 048 1 2 1 2 ч , , ч 4 5 4 5 а) б) Рис. 4. Зависимость значений ак6,тивной кислотности обезжиренного pH молока от продолжительности при проведении I (а), II (б), III (в) 5,серий эксперимента: 1 - с дозой закваски 3%; 2 - с дозой закваски 5%; 3 - с дозой закваски 7%; 4, 5, - теоретические кривые, получен4,0 2 4 6 ные из формул (1) - (4) при под1 2 , ч 4 5 становке значений 0, 1, , в) I серия - 0 = 5,9 ч, 1 =10-20 1/ч, 0,001 1/ч, 0 = 0,06, 0,015, 0,26 1/ч; II серия - = 3,6 ч, 1 =10-20 1/ч, = 0,001 1/ч, 0 = 0,48, 0,09, 1,60 1/ч; III серия - = 5,1 ч, 1 =10-1/ч, = 0,001 1/ч, 0 = 0,014, 0,004, 0,050 1/ч, соответственно.
этом случае предпочтение следует отдавать закваскам с термофильными культурами, так как среднее время поступления частиц фермента в раствор меньшее. При этом, для заквасок с мезофильными культурами или смеси культур, значение среднего времени между поступлениями двух частиц фермента отличается незначительно; для активного кислотообразования достаточно использовать дозу закваски 5%.
По формулам модели определили время, необходимое для достижения значения рН 4,8Ц4,6, которое в случае внесения закваски термофильных культур составило 7 -12,5 ч, для двух других - от ч. Стохастическая модель позволила не только количественно описать процесс кислотной коагуляции белков молока, но и неявно учесть сопровождающие процесс химические реакции, имеющие место в молочном сырье, что отразилось на числовых значениях показателей.
Для установления рациональных параметров процесса УФ проводили серию экспериментов по изучению зависимости удельной производительности ультрафильтрационной установки от температуры, активной кислотности, продолжительности процесса и используемой закваски (рис. 5). В результате проведенных исследований установили, что для достижения наибольшей производительности мембранной установки необходимо молочное сырье предварительно сквасить внесением закваски, состоящей из смеси мезофильных и термофильных молочнокислых бактерий, ультрафильтрацию провести при постоянном давлении 0,6 МПа, скорости подачи обрабатываемого раствора 0,02 м/с, температуре 505C, циклами не более 5 ч.
Удельная производительность установки, м3/(м2 ч) 1,2 1,1 0,0,0,0,0,0,4,2 4,6 5 5,4 5,8 6,30 35 40 45 50 55 60 Температура, C pH 1 2 1 2 а) б) 1,2 Рис. 5. Влияние температуры (а), активной кислотности (б), продолжительности процесса на удельную производительность 0,ультрафильтрационной установки: 1 - I серия экспериментов; 2 - 0,0 1 2 3 4 5 6 7 II серия экспериментов; 3 - III се, мин 1 2 рия экспериментов в) Обезжиренное молоко условно можно разделить на две части:
растворитель (вода) и растворенное вещество (белки, соли, лактозу).
Построение стохастической модели основано на следующих допущениях: взаимодействие частицы растворителя и растворенного вещества мало, а их число велико (потенциально бесконечно). В качестве показателей оценки эффективности функционирования процесса рассмотрели среднюю масса M ( ) растворенного вещества и M ( ) 2 растворителя в растворе в момент времени , при условии, что в начальный момент времени =0 их число было равно M (0) = i2, M (0) = i3, ( ), ( ) - среднее квадратичное отклонение этой 3 2 (2) (3) массы, при условии, что (0) = (0) = 0, [0,), , - cp cp 2 среднее время перехода 1 г растворенного вещества и растворителя через мембрану в фильтрат, соответственно.
Зависимость концентрации C( ) раствора (содержания сухих веществ) от времени определяли следующим уравнением:
M ( ) C( ) = 100%. (5) M ( ) + M ( ) 2 Используя разработанную методику, получили систему дифференциальных уравнений, в которой j - интенсивность поступления требований вида j в систему, j - интенсивностью обслуживания:
d d M j ( ) + j M j ( ) = j, (6) d 2 2 [ [ d j ( ) + M j ( ) - M j ( )]+ j j ( ) + M j ( ) - M j ( )]= 2 j M j ( ), с начальными условиями M (0) = i, (0) = 0, j = 2, 3. (7) j j j Решение системы (6), с учетом (7), определяет среднюю массу растворенного вещества и растворителя и дисперсию их масс, соответственно, в единичном объеме в любой момент времени [0,) :
- j M ( ) = / + (i - / )e, j j j j j j - - 2 j j ( ) = (1- e )( / + ij e ), j = 2, 3 (8) j j j Использование модели подразумевает определение значения параметров , , i, j = 2, 3, в соответствии с методикой, приведенj j j ной в работе. Учитывая отклонения ( ), определили диапазоны j значений параметров , j = 2, 3. Полученные диапазоны значений j 2, и размеры частиц растворенного вещества, растворителя и пор мембраны, позволили сформулировать критерий эффективности процесса мембранного разделения: 2 - наименьший, - наибольший, 3. Ввели обозначения M2( ) + 2( ) C+( ) = 100%, (9) M2( ) + 2( ) + M3( ) - 3( ) M2( ) + 2( ) C-( ) = 100%. (10) M2( ) + 2( ) + M3( ) + 3( ) Придавая интенсивностям 2, значения из предложенных диапазонов, получили изменения концентраций раствора С( ), С+ ( ), С ( ), при этом ошибка расчета составила для средней массы растворенного вещества и растворителя 13 - 26% и 18 - 28%, соответственно, а для концентрации раствора 10 - 23%.
Разработанную модель применили для изучения влияния технологических параметров на эффективность процесса ультрафильтрации (рис. 6): рабочего давления Р (0,11Е0,15 МПа); режима течения жидкости (Re=500Е1500), температуры t (20Е60С), продолжительности обработки (до 90 минут).
10,10,9,9,9 1 2 030 60 030 60 4 5 , мин , мин 1 2 7 8 10 11 4 а) б) Рис. 6. Зависимость содержания 10,сухих веществ в МБК от продол10 жительности концентрирования при изменении температуры (а), 9,Р=0,15 МПа, Re=500, давления (б), t=60С, Re= 500, режима течения (в), t=60С, Р=0,15 МПа, 2 = 030 60 1 2 , мин 0,0015, 3 =0,0151 1/мин 4 5 7 а) 1 - 9 t=20, 25, 30, 35, Е, 60o C ;
в) 10 - C( ), 2 = 0,0065, =0,0119 1/мин; 11 - C( ), 2 = 0,0083, = 3 C( ), масс.
C( ), % масс.
C( ), % масс.
0,0092 1/мин; б) 1 - 3 P = 0,11, 0,13, 0,15 МПа; 4 - C( ), 2 =0,0065, = 0,0122 1/мин; 5 - C( ), 2 =0,0082, = 0,0088 1/мин; в) 1 - 6 Re 3 =500, 700, Е, 1500; 7 - C( ), 2 =0,0063, =0,0136 1/мин; 8 - C( ), 2 =0,0082, =0,0088 1/мин Значения интенсивностей 1 = 0,0015, 2 = 0,0151 1/мин определили ранее по разработанной методике. Для каждого эксперимента в трех рассмотренных сериях а) - в), определили диапазоны значений параметров 2, (с учетом функций С+ ( ), С ( ) ). Анализ этих 3 интервалов значений позволил определить рекомендуемые значения технологических параметров процесса мембранного концентрирования белков обезжиренного молока: P=0,15 МПа, Re=500, t= 50 5 C. Придавая значения параметрам 2, из найденных интервалов, определили диапазон значений функции C( ) = 9,5...17,9 %. В соответствии с моделью концентрация 15-19% массовой доли сухих веществ (12-16% белка) достигается за время 257Ц279 мин.
Построенная стохастическая модель позволила определить рациональные значения технологических параметров процесса мембранного концентрирования, среднее время, необходимое для получения концентрата с заданным содержанием белков. Достоверность результатов составляет не менее 95%.
Глава 4. Интенсификация технологических процессов формирования газожидкостных дисперсных систем на основе белков молока в условиях интенсивного механического воздействия.
Проводили сравнительную оценку характеристик диспергаторавзбивателя (ДВ), диспергатора с принудительной подачей газа (ДПП), роторно-пульсационного устройства (РПУ) при газонасыщении МБК (масс. доля белка 4%), объемом 1 дм3. Эксперименты проводили при температуре 132C, продолжительность обработки 5 мин (рис. 7).
Устойчивость ГДС определяли как отношение высоты пены, измеренной через 3 ч к начальной высоте, взятое в процентах.
Между размерами частиц дисперсной фазы ГДС и ее стабильностью имеется определенная зависимость, поэтому ориентировались на ГДС с наименьшим средним размером частиц и наименьшим его отклонением. В табл. 3 приведено относительное распределение частиц по фракциям. Для этих экспериментальных данных вычислены статистическая средняя и статистическая дисперсия размера частиц дис персной фазы молочной ГДС при разных способах получения.
186421000 2000 301000 2000 30об/мин об/мин ДВ ДПП РПУ ДВ ДПП РПУ а) б) 0,73 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1 2 3 4 1000 2000 30, мин ДВ ДПП РПУ об/мин ДВ ДПП РПУ в) г) Рис. 7. Влияние скорости вращения рабочего органа аппарата (а-в) и продолжительности обработки (г, 3000 об/мин)) - на изменение пенообразующей способности МБК: а - плотность, б - устойчивость к разрушению, в, г - объемная доля газа в ГДС Таблица Влияние скорости вращения рабочего органа аппарата на дисперсность ГДС из МБК Относительное распределение по фракциям (%) Скорость с размером, мм вращения ДВ ДПП РПУ об/мин <1 1-3 3-5 >5 <1 1-3 3-5 >5 <1 1-3 3-5 >2000 11 33 35 21 14 17 29 40 - 62 28 dcp, мм 3,32,2 3,81,4 2,71,2500 15 36 37 12 18 52 23 7 8 66 20 dcp, мм 3,12,5 2,41,3 2,31,3000 18 40 40 2 20 55 25 - 27 53 15 dcp, мм 2,81,7 2,21,3 2,01,Предельное содержание газа в пищевой ГДС соответствует 73%.
Объемная доля газа Плотность ГДС, кг/м Объемная доля газа Устойчивость ГДС, % Во всех сериях эксперимента наиболее выгодные с технологических позиций изменения происходят с ГДС, полученной из МБК при обработке в РПУ при скорости вращения 3000 об/мин в течение 3 мин.
Увеличение концентрации белков в обрабатываемой системе приводит к улучшению пенообразующих свойств молочного сырья (рис. 8).
Увеличение концентрации белков в обрабатываемой системе приводит не только к увеличению вспениваемости, но и устойчивости полученной ГДС за счет стабилизации ламелларных пленок.
Установлено, что для ин0,тенсификации процесса и получе0,ния ГДС заданного качества целесообразно использовать РПУ, а 0,основы - МБК с содержанием белка 16% масс.
0,Для изучения влияния продолжительности процесса газонасы0,щения МБК, составили стохасти4 8 12 ческую модель, описывающую Массовая доля белка, % эффективность работы пеногенеРис. 8. Влияние белков на изменератора (РПУ), с производительние объемной доли газа в МБК при ностью частиц дисперсной фароторно-пульсационной обработке зы ГДС в единицу времени. Чис- ло частиц в каждый момент времени считали случайным, их разрушение, под действием какой-либо из причин назвали обслуживаем требований с интенсивностью = 1/ , где - среднее время жизни cp cp частицы дисперсной фазы ГДС до ее гибели.
Если в качестве показателей эффективности функционирования системы рассматривать среднее значение M ( ) случайной величины, i характеризующей число частиц дисперсной фазы ГДС готового продукта в момент времени , при условии, что в начальный момент времени их число было равно i, и среднее квадратичное отклонение ( ), i (0) = 0, , [0, ), i = 0, 1, 2,...., то для описания процесса i пеногенерирования, как системы массового обслуживания, в которой под требованиями понимаются частицы дисперсной фазы, а под обслуживанием их разрушение, то можно использовать ранее построенную модель, представленную системой дифференциальных уравнений (6). В нашем случае ее решение имеет вид:
Объемная доля газа Mi( ) = / + (i - / ) e- , (11) i2( ) = (1- e- ) ( / + i e- ), i = 0, 1, 2,....
Для изучения влияния числа оборотов ротора (1750Е3000 в мин) при роторно-пульсационной обработке МБК с массовой долей белка 16%, проводили экспериментальные исследования при нахождения продукта в рабочей камере объемом 0,018 м3 - 15 мин; коэффициента заполнения - 0,3; зазоре между ротором и статором - 0,1 мм;
температуре 242С (рис. 9).
15 Рис. 9. Изменение числа частиц дисперсной фазы ГДС в единичном объеме за время в зависимости от числа оборотов: - 1750, 2 - 2000, 3 - 2500, 4 - 3000 1/мин Параметр в формулах (11) характеризует скорость образо0 3 6 9 12 вания частиц (пенообразова, мин 1 2 3 ние), параметр - скорость раз- рушения частиц дисперсной фазы ГДС (пеноразрушения). Получены следующие диапазоны значений параметра : 11578Е38430;
j 12595Е 53910; 13265Е77736; 22050Е 104864 1/мин, и (рис. 10), j где j = 1750; 2000; 2500; 3000.
1,6 Рис. 10. Изменение параметра ( ) от продол() j 1,жительности : 1 j = 1750 ; 2 - j= 2000; 3 - 0,j=2500; 4 - j= 300,Так как параметр ( ) изменяется в j процессе образования 0 3 6 9 12 1 ГДС, то меняется и пара- мин , 3 метр i = i( ) ; по экспериментальным данным получено, что i(0) =0, i(3) ==146324, i(6) =34249, i(9) = 48658, i(12) =138344, i(15) = 13844.
число частиц /Анализ полученных значений параметров ( ), ( ) позволил выj j делить режим пенообразования с 2500 об/мин ротора, при котором наибольшее количество частиц дисперсной фазы генерируется и наименьшее разрушается. Полученные результаты для функции M ( ), i i = i( ), приведены на рис. 11.
15 Рис. 11. Зависимость от продолжительности среднего числа частиц дисперсной фазы ГДС при роторнопульсационной обработке МБК (2500 об/мин): 1 - экспериментальные данные; - M ( ), 2500 ( ), =487i 1/мин, i = i( ) ; 3 - M ( ), 0 3 6 9 12 мин , 1 2 3 2500( ), =48774 1/мин Достижение равновесного состояния между процессами генерирования и разрушения является критерием устойчивости, при котором число генерируемых частиц дисперсной фазы ГДС в единицу времени больше числа разрушенных.
Динамику разрушения ГДС условно можно разделить на три части: начальную (незначительное разрушение, факторы разрушения оказывают минимальное воздействие на ГДС, происходит постепенный прирост скорости разрушения), активную (отличается значительным приростом скорости разрушения вплоть до максимальной, наибольшее влияние каждого фактора разрушения, в том числе и в совокупности) и затухающую (уменьшение скорости разрушение).
Устойчивость ГДС зависит от скорости ее разрушения, которую в нашей модели определяет параметр = ( ), то есть, переменный и зависящий от продолжительности. Определили момент времени , начиная с которого происходит нарастание скорости разрушения ГДС.
Анализ значений функции, j = 1750, 2000, 2500, 3000, (рис. 10), ( ) j позволил считать, что она достигает наибольшего значения в точках, близких к = 6 мин, относительного которых сохраняется определенная симметрия. Значения функции ( ), соответствующей скорости 2500 об/мин, приведены на рис. 12. Использование формул (11) для исследования процесса пенообразования при постоянном параметре M( )/на всем промежутке приемлемо лишь в первом приближении. Из рис.
12 видно, что функция = ( ) может быть приближена функцией y( ) = B + A exp(-( - a)2 / b) для > 0 и y( ) = 0 для 0, где A, B, a, b - параметры. В самом деле, колоколообразный вид этой фун- кции дал возможность учесть 1,отмеченные три стадии разру1,шения пены, если использовать 1,аппарат дифференциального 0,исчисления. Это позволило 0,рассмотреть процесс разруше0,ния ГДС, в этом смысле, с еди0 ных позиций. Более того, по1 0 0 3 6 9 12 скольку функция y( ) напо1 2 , мин 4 минает плотность нормального Рис. 12. Изменение функции ( ) распределения ( ), которая от продолжительности : 1 - значетабулирована, то вычисление ния, определенные по эксперимензначений параметра ( ) не тальным данным; - A = 7,50, составило труда. Параметры B = 0,21, a = 6,75, = 2,17 ; 3, 4, 5 - этой функции находятся из = 2,991, 1 = 4,580, = 6,70 статистических данных, опре- деляющих значения ( ), а сама функция - из таблиц. Функцию y( ) привели к удобному для инженерных расчетов виду. Обозначили 2 ( ) = B + (A /( 2 )) e-( -a) / 2, > 0, (12) -1 где A, B, a, - параметры, а ( 2 ) e-( -a)2 / 2 = ( ).
После обработки экспериментальных данных процесса разрушения ГДС и определения всех параметров функции (12), ее можно подставить в систему дифференциальных уравнений (6) и найти M ( ) и i ( ), i = 0, 1, 2,.... Можно использовать и другой подход. В каждый i фиксированный момент времени =, j = 1, 2,..., k, принадлежащеj му одному из k интервалов процесса, определять значение функции и подставлять их в формулу (11). В силу простоты ( ) = - const j вычислений отдали предпочтение последнему подходу.
Провели исследование функции ( ) (рис. 12) с целью получения более полной информации о динамике скорости разрушения ГДС в процессе пеногенерирования и после такового. На основе получен( ) 25 ных данных, сформулировали ограничения по продолжительности воздействия на обрабатываемую систему. Наибольшее значение функции ( ) равно 1,5 и соответствует моменту = 6 мин. Более 6 мин генерирование проводить нецелесообразно, поскольку, судя по всему, именно в окрестности этого времени и происходит наибольшее суммарное воздействие всех факторов разрушения. Более того, необходимо процесс, как уже отмечалось, остановить несколько раньше, не дожидаясь достижения наибольшей скорости разрушения.
Методами дифференциального исчисления исследовали динамику скорости разрушения ГДС (нахождения моментов перехода от одной стадии к другой) по предложенной функции ( ) вида (12) и ее производным. На рис. 13 приведены зависимости производных функции ( ), [0, 7]. Объединяя полученные результаты для функции ( ) = ( ), процесс пено25(k)() 0,генерирования целесообразно закончить в промежутке от 0,2,9913 мин (максимум функции ''( ) - момент времени 0 1 2 3 4 5 6 7 8 начала нарастания скорости разрушения) до 4,5804,6мин (мак-0,симум функции '( ) - момент -0,времени наиболее скорого раз0 1 рушения). Экспериментальные 1 2 , мин 4 5 данные не противоречат этому результату и указывают на то, Рис. 13. Производные функции что процесс пенообразования ( ) : 1 - '( ) ; 2 - ''( ) ; 3 - целесообразно ограничить '' '( ) ; 4, 5, 6 - = 2,991, мин.
Проанализируем процесс 1 = 4,580, = 6,7пенообразования в течение 3-х минут с учетом предложенной методики расчета полученных результатов для функции ( ), в соответствии с которой усредненное значение для [0,3] можно считать равной приблизительно 0,31/мин. В результате моделирования (рис. 10, 12) при фиксированном значении интенсивности разрушения частиц дисперсной фазы ГДС = 2500 (3) =0,333 1/мин для любого (0,7] получили следующие интервалы значений интенсивности генерирования пузырьков :
11578Е38430, 12595Е 53910, 13265Е77736, 1/мин, соответственно.
Варьирование значений параметра в пределах от11578Е777при фиксированном значении параметра = 0,333 1/мин, для любого [0,3] при i = 0, из формул (11) позволило получить диапазон (Mi( ) -i( );Mi( ) + + ( )) среднего числа частиц дисперсной фаi зы в единичном объеме ГДС (рис. 14).
Рис. 14. Зависимость от продолжительности среднего 12 числа частиц дисперсной фазы ГДС при роторнопульсационной обработке молочного сырья, 25об/мин: 1 - экспериментальные данные; 2 - Mi ( ), 0 3 = 49500 1/мин, i = 0, > 3 = 0 1/мин, i = 146324, = ( ) ; 3, 4 - 0 1 2 3 1 2 Mi ( ) граничные, 0 3, мин , 4 =23875, 77800 1/мин, i = 0, > 3 = 0 1/мин, i = 41833, 147599, = 0,333 1/мин; 5 - M / 2 = 73162.
Придавая параметру значения из диапазона 23875Е7771/мин, определили диапазон значений функции M ( ), [0,3], в который с вероятностью, не меньшей 0,95 (с учетом одного ) будут попадать экспериментальные значения числа частиц дисперсной фазы ГДС единичного объема, полученной роторно-пульсационной обработкой молочного сырья.
Возможные граничные значения среднего числа частиц дисперсной фазы ГДС в единичном объеме, близкие к предельным:
M = lim M ( ) = / = 11578 / 0,333 34769 ; M = lim M ( ) = = 77736 / 0,333 233441; M = lim M ( ) = 45501/ 0,333 136638, где M - предельное наименьшее (ограничивает снизу), M - предельное наибольшее (ограничивает сверху), M - предельное среднее значения числа частиц дисперсной фазы ГДС.
M( )/При хранении ГДС отдельные ее частицы лопаются, изменяются в размерах и в результате этого происходит ее старение и уменьшение общего объема ГДС. Если в процессе старения новые частицы не добавляются, то достаточно быстро происходит полное разрушение ГДС. На рис. 14 приведена динамика разрушения ГДС после трех минут генерирования в РПУ при 2500 об/мин в зависимости от значений параметра . Если в качестве меры устойчивости ГДС рассматривать время разрушения половины всех частиц дисперсной фазы M / M / 2 = 146324 / 2 = 73162, то 0,98 мин (58 с), если полное M / разрушение, то 59 мин (3542 с). Для граничных кривых, соотM ветствующих среднему значению параметра = 0,333 1/мин, время полного разрушения соответствует 35 - 39 мин.
Влияние основных параметров, характеризующих работу РПУ (частота вращения ротора, величина зазора между ротором и статором, коэффициент заполнения рабочей камеры), на формирование ГДС на основе МБК (рис. 15-16).
450 120 260 21221350 2121222230 150 4,6 4,9 5,2 5,5 5,8 6,1 6,4 14 24 34 44 54 1 pH Температура, C 1 а) б) Рис. 15. Зависимость пенообразующей способности МБК от температуры (а) и кислотности (б) обрабатываемого раствора: 1 - плотность пены, кг/м3; 2 - устойчивость ГДС, мин Для описания среднего размера частиц дисперсной фазы ГДС сделали предположение о распределении частиц по размерам в соответствии с распределением Эрланга k-го порядка, под переменной будем понимать диаметр частицы дисперсной фазы ГДС, [0,+).
Функция распределения Эрланга k-го порядка имеет вид:
i k -( ) Fk ( ) =1 - e- , k =1, 2, 3,..., (13) i! i=где 1/ - средний размер частиц дисперсной фазы, мм. Число k харак- Плотность ГДС, кг/м Плотность ГДС, кг/м Устойчивость ГДС, мин Устойчивость ГДС, мин теризует взаимное влияние частиц.
0 0,1 0,2 0,0,1 0,44 0,78 1,12 1,46 1,Коэффициент заполнения Величина зазора, мм рабочей камеры 1 2 3 1 2 а) б) 1,0,4 14 24 34 44 54 4,6 4,9 5,2 5,5 5,8 6,Температура, С pH 1 2 3 1 2 в) г) Рис. 16. Влияние величины зазора между ротором и статором (а), коэффициента заполнения рабочей камеры (б), температуры (в) и кислотности (г) МБК, при скорости вращения рабочего органа 25об/мин, на распределение средних размеров частиц дисперсной фазы ГДС: 1 - средний диаметр, 2, 3 - границы полученных интервалов Проведенные исследования позволили утверждать, что для получения ГДС заданного качества необходимо уменьшить величину зазора, увеличить заполняемость рабочей камеры, и на последующих этапах исследования придерживались скорости вращения ротора - 25об/мин, величины зазора между ротором и статором - 0,1 мм; коэффициента заполнения рабочей камеры РПУ - 0,3; времени обработки - мин, температуры 242С и уровня активной кислотности 4,6.
Глава 5. Совершенствование технологий и разработка принципов проектирования газожидкостных дисперсных систем на основе молочно-белковых концентратов. Изучено влияние на пенообразующие качества МБК немолочных добавок (стабилизаторов, сахаров и сахарозаменителей, плодоовощных добавок) при роторноd, мм d, мм d, мм d, мм пульсационной обработке. Отработана технология внесения немолочных компонентов в МБК. Любые вещества, добавляемые в такие сложные системы как молоко, вносят определенные изменения в ее стабильность и влияют на процессы, в них происходящие. Для наименьшего негативного воздействия на качество молочной ГДС добавки вносили на завершающем этапе газонасыщения. Полагали, что максимальная пенообразующая способность МБК в присутствии стабилизаторов достигается в определенном интервале концентраций.
Устойчивость ГДС напрямую связана с образованием стабилизирующих адсорбционных слоев ПАВ, имеющих определенную площадь, которые уменьшают скорость течения по каналам и пленкам. В качестве критерия качества ГДС, использовали площадь межфазной поверхности, которую вычисляли по формуле:
Sобщ =Vn k (5 +1) /(d 6 ), (14) где V - объем рассматриваемой ГДС, - n доля воздушной фазы в объеме ГДС, объемная доля газа, d - средний внутренний диаметр, D - средний внутренний диаметр частицы дисперсной фазы ГДС (рис. 17), k - поправочный коэффициент, который для Рис. 17. Внешний вид плотно упакованной ГДС равен 1.
ГДС для выполнения Проведенные исследования позволили расчета межфазной выделить в качестве рекомендованных доповерхности бавок желатин с концентрацией 2% и МГ с концентрацией 0,5%, пектин с концентрацией 2% (в этом случае наблюдается несколько меньшая устойчивость), ксилит или сорбит - 4% и яблочное пюре - 10 - 20% концентрированное и неконцентрированное, соответственно.
Далее изучали влияние разных способов внесения стабилизационной системы (смесь пюре, желатина и ксилита или сорбита) (рис.
18). При совместном газонасыщении (СГ) добавку в МБК вносили до аэрирования, последовательном (ПГ) - во взбиваемый МБК не ранее середины процесса (приблизительно через 1,5 - 2 мин). За 100%-ную устойчивость взяли наибольшее время (122 ч), полученное на предыдущих этапах исследования. Внесение стабилизационной системы недопустимо на начальном этапе аэрирования и необходимо ближе к завершению. Выявлено, что и пюре, и стабилизационная система снижают пенообразующую способность МБК в большей или в меньшей степени в зависимости от технологии их внесения, но полученные ГДС обладают большей устойчивостью, чем у контрольного образца.
700 100 Рис. 18. Влияние способа внесения концентрированного 6пюре и стабилизационной сис5темы на пенообразующую спо4собность (а), устойчивость (б) 3и дисперсность (в) ГДС из 2МБК: 1 - контроль (МБК); 2 - 1МБК и пюре (СГ); 3 - МБК и 0 1 2 3 4 пюре (ПГ); 4 - МБК и стабилизационная система (СГ); 5 - а) Образцы б) МБК и стабилизационная система (ПГ) 180 Совокупность полученных результатов позволила интенсифицировать процесс создания аэрированных молочных продуктов, который целесообразно проводить в РПУ. Осно0 1 2 3 4 5 6 вой таких продуктов желаd, мм тельно использовать МБК с 1 2 4 массовой долей белка 16% в сочетании с плодоовощными в) добавками. Для увеличения устойчивости необходимо внесение дополнительной дозы стабилизаторов.
Глава 6. Практическая реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований получили отражение в схеме (рис. 19), на ее основании сформулированы рекомендации по использованию и направления создания новых молочных продуктов на основе ГДС и МБК.
Технологии производства новых видов аэрированных молочных продуктов (ТУ 9228-148-02068315-2011, ТУ 9224-149-02068315-2011, ТУ 9222-135-02068315-2010, ТУ 9222-150-02068315-2011, ТУ 9222101-02068315-2009) апробированы и внедрены на ООО фирма Калория (Краснодарский край), ООО КОНСИТ-А (г. Москва), ООО РязаньЭкоПродукт (г. Рязань), ООО МПО Скоморошка (г. Кемерово), ООО Экспериментальный сыродельный завод (г. Барнаул).
кг/м ГДС, % Плотность ГДС, Устойчивость Эмпирическое распределение, % Рис. 19. Схема создания и использования молочных продуктов на основе ГДС ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена концепция интенсификации и совершенствования технологических процессов при производстве аэрированных продуктов, заключающаяся в комплексном исследовании состава смеси, технологий газонасыщения и конструкций пеногенераторов на основе применения математического аппарата, основанного на развитых методах теории случайных процессов.
2. Изучены аспекты подготовки молока к концентрированию белков ультрафильтрацией. Показана целесообразность ферментации закваской, содержащей термофильные культуры, как самостоятельно, так и в смеси с мезофильными, в количестве 5-7% до рН 4,60,1 в течение 6-8 и 10-12 ч, соответственно. Доказано, что рациональной температурой ультрафильтрации является 505С. Выявлено, что с увеличением скорости движения молочнокислого сгустка до 2,010-2 м/с удельная производительность ультрафильтрационной установки достигает своих максимальных значений 1,178 м3/(м2ч).
Разработаны стохастические модели кислотной коагуляции и ультрафильтрации белков молока. Определены рациональные значения технологических параметров процессов, предложены рекомендации по их проведению. Техническая новизна разработанных технологических решений создания МБК подтверждена и защищена двумя патентами РФ на изобретения.
3. Проведена сравнительная оценка характеристик способов получения молочно-белковых ГДС в зависимости от различных технологических факторов. Рекомендовано использование РПУ, позволяющей получить ГДС заданного качества (с наименьшей плотностью, наибольшей устойчивостью и минимальным размером частиц дисперсной фазы) на основе МБК.
4. Показана эффективность применения распределения Эрланга для описания распределения по размерам частиц дисперсной фазы ГДС, которое позволило, в отличие от других распределений, учесть тенденцию взаимного влияния частиц друг на друга. Получены интервалы наиболее вероятных значений средних размеров этих частиц.
5. Изучены закономерности формирования ГДС при роторнопульсационной обработке МБК с массовой долей белка 16%. Сформулированы рекомендации по организации процесса. Построена стохастическая модель процесса пенообразования МБК в РПУ, которая позволила адекватно описать не только закономерности образования, но и разрушения ГДС с единых позиций. Сформулированы рекомендации по продолжительности процесса газонасыщения.
Выявлено, что рациональными значениями параметров работы РПУ для получения молочно-белковых ГДС с заданными показателями плотности (не более 22011 кг/м3) и преобладающим размером частиц дисперсной фазы не более 1 мм являются: скорость вращения ротора 2,5103 об/мин, коэффициент заполнения рабочей камеры - 0,3;
величина зазора между ротором и статором не более 0,44 мм; продолжительность воздействия 3 мин.
6. Проведены исследования по установлению влияния компонентов немолочного происхождения на формирование ГДС в РПУ. Показано положительное влияние на пенообразующие качества МБК сахарозаменителей (ксилита, сорбита), уплотненного яблочного пюре. Доказана необходимость привлечения стабилизаторов структуры для обеспечения получения ГДС заданного качества. Исследовано влияние на пенообразующие качества МБК технологии внесения стабилизационной системы. Установлена целесообразность ее использования на заключительном этапе газонасыщения.
7. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены технологические принципы выработки молочных продуктов на основе МБК в условиях роторно-пульсационной обработки, которые состоят из подготовки молочного сырья, получения молочно-белковых концентратов, газонасыщения с последующей стабилизацией структуры.
Проведенные исследования позволили сформулировать рекомендации по технологическим процессам и использованному оборудованию, наметить направления создания разнообразных наименований молочных продуктов.
8. Разработана и утверждена техническая документация на новые виды аэрированных молочных продуктов (ТУ 9222-101-020683152009, ТУ 9222-135-02068315-2010, ТУ 9228-148-02068315-2011, ТУ 9224-149-02068315-2011, ТУ 9222-150-02068315-2011), которые внедрены в производство на предприятиях Краснодарского и Алтайского краев, Кемеровской, Московской и Рязанской областей.
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
Монографии 1. Иванова, С.А. Стохастические модели процесса коагуляции /С.А. Иванова, Т.А. Краснова, В.А. Павский. - М.: Спутник+, 2005. - 80с.
2. Иванова, С.А. Стохастические модели технологических процессов переработки дисперсных систем обезжиренного молока / С.А. Иванова. - Кемерово, 2010. - 124 с.
3. Иванова, С.А. Интенсификация технологий аэрированных молочных продуктов / С.А. Иванова, А.Ю. Просеков. - Кемерово, 2011. - 240 с.
Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ 4. Павский, В.А. Применение методов теории массового обслуживания в мембранной технологии / В.А. Павский, С.А. Иванова / Вестник ТГПУ: Естественные и точные науки. - Томск, 2006. - Вып. 6. - С. 116-117.
5. Иванова, С.А. Исследование процесса пеногенерирования вторичного молочного сырья / С.А. Иванова, В.А. Павский // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 1. - С. 14-17.
6. Иванова, С.А. Пеногенерирование молочного сырья / С.А. Иванова // Молочная промышленность. - 2010. - №1. - С. 59-60.
7. Иванова, С.А. Стохастическая модель кислотной коагуляции дисперсных систем обезжиренного молока / С.А. Иванова // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 3. - С. 35-40.
8. Иванова, С.А. Стохастическая модель работы пеногенератора на основе теории марковских процессов / С.А. Иванова, В.А. Павский, А.Ю. Просеков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - № 6. - С. 18-20.
9. Сметанин, В.С. Влияние казеината натрия и эмульгаторов на свойства отделочных полуфабрикатов на основе газожидкостных дисперсных систем / В.С. Сметанин, О.О. Бабич, И.С. Разумникова, С.А. Иванова // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 3. - С. 45-49.
10. Иванова, С.А. Моделирование процесса мембранного концентрирования белков молочного сырья / С.А. Иванова, Р.Ш. Гарифулин, Т.В. Чаплыгина // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - № 1. - С. 75-79.
11. Просеков, А.Ю. Молочно-белковые концентраты в продуктах с пенообразной структурой / А.Ю. Просеков, С.А. Иванова, В.С. Сметанин // Молочная промышленность. - 2011. - №5. - С. 64-65.
12. Иванова, С.А. Критерии оценки качества формирования газожидкостных дисперсных систем молочного сырья / С.А. Иванова // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - №2. - С. 33-37.
13. Булгакова, О.М. Моделирование процесса коагуляции белков молочного сырья / О.М. Булгакова, С.А. Иванова // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - №3. - С. 54-58.
14. Просеков, А.Ю. Параметры аэрирования молочно-белковых концентратов / А.Ю. Просеков, С.А. Иванова // Молочная промышленность. - 2011. - №8. - С. 40-42.
15. Иванова, С.А. Влияние продолжительности процесса газонасыщения на устойчивость газожидкостной дисперсной системы / С.А. Иванова, В.А. Павский // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 3. - www.
science-education.ru/97-4616. Иванова, С.А. Исследование устойчивости молочно-белковых газожидкостных дисперсных систем стохастическими методами / С.А. Иванова, М.В. Баканов // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - №4. - С. 37-42.
17. Просеков, А.Ю. Влияние диспергирования на свойства МБК / А.Ю. Просеков, С.А. Иванова // Молочная промышленность. - 2011. - №10. - С. 63-64.
18. Просеков, А.Ю. Растительное сырье в аэрированных продуктах / А.Ю.
Просеков, С.А. Иванова // Молочная промышленность. - 2011. - № 11. - С.
58-59.
Статьи в журналах, сборниках трудов, материалы конференций 19. Иванова, С.А. Обоснование направлений развития технологий аэрированных молочно-белковых продуктов / С.А. Иванова // Отраслевые аспекты технических наук. - 2011. - №6. - С. 11-13.
20. Иванова, С.А. Технология производства аэрированных молочных десертов с плодоовощными добавками / С.А. Иванова // Отраслевые аспекты технических наук. - 2011. - №7. - С. 7-8.
21. Иванова, С.А. Изучение влияния белков на качество газожидкостных дисперсных систем на основе молочного сырья / С.А. Иванова // Проблемы современной науки: сб. науч. тр. - Ставрополь: Логос, 2011. - С. 188-194.
22. Иванова, С.А. Исследование способов получения газожидкостных дисперсных систем на основе молочного сырья / С.А. Иванова // Проблемы современной науки: сб. науч. тр. - Ставрополь: Логос, 2011. - С. 194-200.
23. Механошина, А.А. Разработка и исследование мембранного аппарата с побудительным движением диффузионного пограничного слоя. Математическая модель на основе марковских цепей, описывающая процесс мембранного концентрирования / А.А. Механошина, Т.В. Лощинина, С.А. Иванова // Молодые ученые Сибири: мат-лы Всерос. молодеж. науч.-техн. конф. - УланЦУдэ: Изд-во Восточно-сибирского государственного технического университета, 2003. - С. 76-78.
24. Гарифулин, Р.Ш. Мембранный аппарат с отводом диффузионного слоя / Р.Ш. Гарифулин, А.А. Пашкевич, Р.В. Котляров, С.А. Иванова // Ионный перенос в органических и неорганических мембранах: мат-лы Межд. конф. с элементами науч. школы для молодежи.Ц Кемерово, 2010. - С. 149-151.
25. Иванова, С.А. Исследование процесса мембранного концентрирования белков молочного сырья на основе стохастического подхода / С.А. Иванова, В.А. Павский, Т.В. Чаплыгина // Ионный перенос в органических и неорганических мембранах: мат-лы Межд. конф. с элементами науч. школы для молодежи.Ц Кемерово, 2010.Ц С. 151-155.
26. Иванова, С.А. Исследование состава и свойств молочно-белковых концентратов в технологии получения пенообразных продуктов / С.А. Иванова, В.С. Сметанин // Прогрессивные технологии и перспективы развития:
мат-лы II Межд. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тамбов: ТР-принт, 2010. - С. 153-154.
27. Иванова, С.А. Влияние поверхностно-активных веществ на процесс формирования дисперсной фазы молочно-белкового концентрата в технологии пенообразных продуктов / С.А. Иванова, О.О. Бабич // Прогрессивные технологии и перспективы развития: мат-лы II Межд. научно-практ. конф.
студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тамбов: ТР-принт, 2010. - С.
154-156.
28. Просеков, А.Ю. Направления улучшения качества аэрированных продуктов на молочной основе / А.Ю. Просеков, С.А. Иванова // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы IX Межд. научнопракт. конф.Ц Минск: Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, 2010. - С. 351-354.
29. Иванова, С.А. Статистическое моделирование газожидкостных дисперсных систем обезжиренного молока / С.А. Иванова // Актуальные вопросы современной науки: мат-лы Х Межд. научно-практ. конф. - М.: Перо, 2010. - С. 164-167.
30. Иванова, С.А. Изучение физико-химических параметров аэрирования молочно-белковых концентратов в роторно-пульсационной установке / С.А.
Иванова, О.О. Бабич, В.С. Сметанин // Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации: сб. докладов VIII Межд. конф. - М.: МГУПП, 2010. - С. 52-58.
31. Иванова, С.А. Исследование качества аэрированных молочных продуктов вероятностными методами / С.А. Иванова // Качество продукции, технологий и образования: мат-лы VI Всерос. научно-практ. конф. с межд. участием. - Магнитогорск: МиниТип, 2011. - С. 234-237.
32. Иванова, С.А. О вычислении площади поверхности раздела фаз газжидкость / С.А. Иванова // Современные направления научных исследований: мат-лы IV Межд. заочной научно-практ. конф. - Екатеринбург, 2011. - С.
50-52.
33. Иванова, С.А. Оценка способов получения молочных газожидкостных дисперсных систем / С.А. Иванова, О.А. Баканова // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: в 2 т. - Т.1.: мат-лы V Межд. научно-практ. конф - Челябинск, 2011.
Ц С. 199-200.
34. Иванова, С.А. Разработка технологии аэрированных молочнорастительных продуктов / С.А. Иванова, Е.В. Строева, О.А. Баканова // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: в 2 т. - Т.2.: мат-лы V Межд. научно-практ. конф - Челябинск, 2011. - С. 73-75.
35. Иванова, С.А. Влияние технологии внесения плодоовощных добавок и стабилизаторов на дисперсность пен на основе молочно-белкового концентрата / С.А. Иванова // Современное состояние естественных и технических наук: мат-лы III Межд. научно-практ. конф. - М.: Спутник+, 2011. - С. 50-52.
36. Иванова, С.А. Влияние технологии внесения плодоовощных добавок и стабилизаторов на пенообразующие качества концентрата белков обезжиренного молока / С.А. Иванова // Современное состояние естественных и технических наук: мат-лы III Межд. научно-практ. конф. - М.: Спутник+, 2011. - С. 53-55.
37. Иванова, С.А. Влияние уровня активной кислотности на пенообразующие качества концентрата белков обезжиренного молока / С.А. Иванова // Современное состояние естественных и технических наук: мат-лы III Межд.
научно-практ. конф. - М.: Спутник+, 2011. - С. 56-58.
38. Иванова, С.А. Интенсификация процесса ультрафильтрации белков молочного сырья / С.А. Иванова, М.С. Литвинов, О.С. Жуков // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: матлы Межд. научно-техн. интернет-конф. - Воронеж, 2011. - С. 57-59.
39. Иванова, С.А. Математическое моделирование устойчивости газожидкостных дисперсных систем / С.А. Иванова // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: мат-лы Межд.
научно-техн. интернет-конф. - Воронеж, 2011. - С. 445-448.
40. Иванова, С.А. Интенсификация технологий молочных продуктов на основе газожидкостных дисперсных систем / С.А. Иванова, Е.В. Строева, М.С. Литвинов // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: мат-лы Межд. научно-техн. интернет-конф. - Воронеж, 2011.Ц С. 315-317.
41. Лобасенко, Б.А. Разработка и исследование мембранного аппарата непрерывного действия с отводом диффузионного слоя / Б.А. Лобасенко, Р.Ш.
Гарифулин, С.А. Иванова, А.Г. Семенов Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: мат-лы Межд. научнотехн. интернет-конф. - Воронеж, 2011. - С. 80-84.
42. Иванова, С.А. Влияние температуры на пенообразующие качества концентрата белков обезжиренного молока / С.А. Иванова // Актуальные вопросы современной науки: мат-лы ХII Межд. научно-практ. конф. - М.: Перо, 2011. - С. 476-479.
43. Иванова, С.А. Использование сахарозаменителей в рецептуре аэрированных молочных десертов / С.А. Иванова // Актуальные вопросы современной науки: мат-лы ХII Межд. научно-практ. конф. - М.: Перо, 2011. - С. 473476.
44. Иванова, С.А. Изучение пенообразующих свойств концентрата белков обезжиренного молока / С.А. Иванова, А.Ю. Просеков // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы X Межд. научно-практ.
конф. - Минск: Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, 2011. - С. 121-123.
45. Иванова, С.А. Влияние физико-химических свойств молочнобелкового концентрата на качество газожидкостной дисперсной системы / С.А. Иванова, А.Ю. Просеков // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы X Межд. научно-практ. конф. - Минск: Научнопрактический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, 2011. - С. 118-121.
46. Иванова, С.А. Технологические особенности внесения плодоовощных добавок и стабилизаторов в аэрированные молочные продукты / С.А.
Иванова, А.Ю. Просеков // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы X Межд. научно-практ. конф. - Минск: Научнопрактический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, 2011. - С. 123-127.
47. Иванова, С.А. Исследование процесса вспенивания молочнобелкового концентрата роторно-пульсационной установкой / С.А. Иванова, О.С. Жуков // Инновационные технологии в пищевой промышленности: матлы II Всерос. конф. с межд. участием. - Самара, 2011. - С. 34-35.
48. Иванова, С.А. Перспективы использования концентрата белков обезжиренного молока и растительных добавок в производстве аэрированных десертов / С.А. Иванова, О.Ю. Афанасьев // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы II Всерос. конф. с межд. участием. - Самара, 2011. - С. 3-4.
49. Иванова, С.А. Влияние наполнителей концентрированных фруктовых и овощных пюре на качество молочных аэрированных продуктов / С.А. Иванова, О.Ю. Афанасьев // Инновационные технологии в пищевой промышленности: мат-лы II Всерос. конф. с межд. участием. - Самара, 2011. - С. 117118.
Патенты на изобретение 50. Патент №2426462 РФ, МПК7 A23L3/44. Способ вакуумной сушки / А.Ю. Просеков, В.А. Ермолаев, С.А. Иванова; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - 2010107834/13, 03.03.2010; опубл. 20.08.2011.
51. Патент №2429053 РФ, МПК7 B01D 63/06 Аппарат для мембранного концентрирования. Авторы: Б.А. Лобасенко, Р.Ш. Гарифулин, А.Г. Семенов, С.А. Иванова; патентообладатель Б.А. Лобасенко. 2009143507/05, 03.03.2010; опубл. 20.09.2011.
Отчеты по НИР 52. Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области технологий продовольственных продуктов и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок / А.Ю. Просеков, Л.А. Остроумов, А.М Попов, С.А. Иванова и др. // Заключительный отчет по гос. контракту №02.438.11.7038, 2006-РИ -16.0/019/007. - Кемерово, 2006. - 42 с.
53. Исследование и разработка комплексной технологии переработки отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в функциональные продукты питания / Л.А. Остроумов, О.О. Бабич, И.С. Разумникова, С.А. Иванова и др. // Научно-технический отчет №01.1004.07-1 по гос. контракту №16.740.11.0058. - Кемерово, 2010. - 70 с.
54. Исследование и разработка комплексной технологии переработки отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в функциональные продукты питания / Л.А. Остроумов, О.О. Бабич, С.А. Иванова и др. // Научно-технический отчет №26.06-04.07-2 по гос. контракту №16.740.11.0058. - Кемерово, 2010. - 160 с.
55. Исследование и разработка комплексной технологии переработки отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в функциональные продукты питания / Л.А. Остроумов, О.О. Бабич, И.С. Разумникова, С.А. Иванова и др. // Научно-технический отчет №30.0904.07-3 по гос. контракту №16.740.11.0058. - Кемерово, 2010. - 169 с.
56. Разработка моделей и методов анализа эффективности функционирования большемасштабных распределенных вычислительных систем / В.А.
Павский, С.А. Иванова, А.Ю. Поляков и др. // Научный отчет по проекту РФФИ №09-07-00185-а, этап 2009 г. - Новосибирск, 2010. - 36 с.
57. Разработка моделей и методов анализа эффективности функционирования большемасштабных распределенных вычислительных систем / В.А.
Павский, Д.С. Никитин, А.Ю. С.А. Иванова, и др. // Научный отчет по проекту РФФИ №09-07-00185-а, этап 2010 г. - Новосибирск, 2011. - 22 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям