Многокритериальная оптимизация процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ик-энергоподводе

Вид материала

Автореферат

Содержание Геннадий Вячеславович Семенов Игорь Николаевич Дорохов Общая характеристика работы Цель и задачи исследования Концептуальная направленность диссертации На защиту выносятся Научная новизна Практическая значимость и реализация результатов работы Апробация работы Структура и объем работы Содержание работы Рис. 1. Схема проведения системных исследований тепловых процессов Рис. 2. Физическая модель и элементы процесса тепловой ИК-обработки Первый уровень Второй уровень Третий уровень Четвертый уровень Пятый уровень Шестой уровень Седьмой уровень ... Полное содержание

Подобный материал:

• Optimization Toolbox – Оптимизация, 780.37kb.
• «Многокритериальная оптимизация в ио», 232.16kb.
• Август октябрь Результаты исследования мясных полуфабрикатов, 252.04kb.
• Тематика курсовых работ по курсу «Проектирование автоматизированных систем», 23.01kb.
• Моделирование и оптимизация систем с распределенными параметрами, 14.61kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 08 Моделирование и оптимизация, 200.55kb.
• Исследование потребительских свойств мясных полуфабрикатов из мяса уток и конины, 477.43kb.
• Моделирование и прогнозирование поврежденности объемных заготовок при осадке, 60.97kb.
• Задачи обследования: -определение уровня технической оснащенности как источников тепловой, 380.71kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру по специальности 1-49 80 04 технология, 305.31kb.

На правах рукописи


БЕЛЯЕВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА


Многокритериальная оптимизация процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе


Специальность: 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка

информации (по отраслям )


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т


диссертации на соискание ученой степени доктора

технических наук


МОСКВА 2009


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» (ГОУ ВПО МГУПБ)


Научные консультанты:

д-р техн. наук, проф. Геннадий Вячеславович Семенов

д-р техн. наук, проф. Юрий Алексеевич Ивашкин


Официальные оппоненты:


д-р техн. наук, проф. Юрий Михайлович Плаксин

д-р техн. наук, проф. Олег Васильевич Большаков

д-р техн. наук, проф. Игорь Николаевич Дорохов


Ведущая организация – Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт

мясной промышленности им. В.М. Горбатова

Российской академии сельскохозяйственных наук


Защита состоится « ______ »______________________2009 г. в ______часов на заседании Диссертационного совета Д 212.149. 05 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета прикладной биотехнологии и веб-сайте МГУПБ www/:msaab.ru


Автореферат разослан « ______ »______________________200 г.


Ученый секретарь Диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент В.В. Мотин


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы


На современном этапе развитие рыночных отношений и предпринимательской активности населения привело к резкому увеличению в стране сетей мелких и средних предприятий общественного питания. Их насчитывается порядка сотен тысяч, и объемы реализации только в Москве превышают 40 млн. долл. США в месяц. Значительный удельный вес в технологии приготовления продуктов питания с использованием мясного сырья занимает тепловая обработка в различных греющих средах и условиях энергоподвода. Для этого широко используются пароконвектоматы, микроволновые печи с режимами СВЧ-нагрева, комбинированные с СВЧ- и последующей ИК-обработкой, режимы «Гриль», при которых продукты подвергают воздействию инфракрасного облучения.

Наряду с предприятиями общественного питания, на мясокомбинатах при производстве мясных продуктов, таких как карбонад, мясные хлебы и другие также широко используется инфракрасный нагрев.

Однако в сложившейся ситуации на пищевых предприятиях среднего и малого бизнеса во многих случаях применяется устаревшее оборудование различных фирм-производителей, либо кустарного производства. При этом режимы тепловой обработки зачастую далеки от рациональных, следствием чего является перерасход электроэнергии и неудовлетворительное качество готовых пищевых продуктов.

В связи с этим становится актуальной и своевременной проблема системных исследований и разработки, научно обоснованных рациональных режимов подвода энергии в процессах термообработки мясных полуфабрикатов, повышения технического уровня аппаратурного оформления, условий эксплуатации, резервов экономии электроэнергии и обеспечение заданного стабильного уровня качества готовой продукции. Поэтому дальнейшее развитие таких электрофизических методов как электротермия (ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника) для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования аппаратов, в которых осуществляется тепловая обработка, является социально значимым и актуальным.

В теорию и практику изучения электрофизических методов в различных пищевых технологиях внесли отечественные ученые Б.М. Азаров, Л.Я. Ауэрман, В.Я. Адаменко, И.Ю. Алексанян, В.С. Баранов, А.С. Большаков, А.А. Буйнов, И.Н. Владавец, М.П. Воларович, Н.А. Воскресенский, А.Н. Вышелесский, А.С. Гинзбург, Н.А. Головкин, А.В. Горбатов, В.С. Грюнер, Э.А. Гуйго, А.И. Жаринов, Ю.С. Заяс, С.Г. Ильясов, Э.И. Каухчшвили, В.В. Красников, С.В. Некрутман, Ю.М. Плаксин, И.А. Рогов, В.И. Хлебников и др.

Интенсивное развитие прикладной биотехнологии, информационных технологий, системного анализа и математических методов создало объективные предпосылки для нового уровня понимания физической природы, аналитического описания и численной реализации процессов тепломассопереноса при тепловой обработке сырья животного и растительного происхождения. Это позволяет научно обосновать возможность получения новых продуктов с заданным составом при использовании нетрадиционных видов воздействия тепла, а также возможность управления процессами на всех стадиях производства пищевых продуктов.

На современном этапе в трудах отечественных и зарубежных ученых (Э.Э. Афанасов, А.А. Артиков, Л.С. Гордеев, И.Н. Дорохов, Ю.А. Ивашкин, В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин, В.В. Митин, Н.С. Николаев, И.И. Протопопов, И.А. Рогов, С.А. Рыжов, P. Ваuer, W. Erikson, P.Eykhoff , Q.Hall, F. Krause, R. Madsen, R. Meier, E.Olsen, H. Roberts, E. Shulze и др.) сформулированы общие принципы системного анализа, математического моделирования и оптимизации химико- и биотехнологических процессов, принципы накопления интегрированной базы знаний, развития основ методологии системно-аналитического подхода в прикладной биотехнологии.

В 60-х годах были изданы монографии Г. Карслоу и Д. Егера, А. Фридмана, А.В. Лыкова и А.А. Гухмана, содержащие полное и систематическое изложение феноменологического метода в теории переноса. Значительный вклад в развитие теории термической обработки мяса и мясопродуктов внесли работы А.М. Бражникова

Однако ставшие классическими аналитические методы решения задач тепломассопереноса в виде бесконечных рядов с множеством номограмм и таблиц мало пригодны для анализа и прогнозирования состояния процесса в гетерогенных и многокомпонентных продуктах из-за сложности математических зависимостей и многостадийных вычислений. Приближенные методы решения уравнений тепломассопереноса, позволяющие получить результат в относительно простом виде, связаны с большим количеством допущений и сведением к частным упрощенным случаям.

Вместе с тем процессы теплового воздействия на биохимические изменения в поверхностных и глубинных слоях мясного продукта различны, объективные данные о влиянии тепломассообмена на пищевую и биологическую ценность и динамику послойного распределения изменений биохимического состава продукта в литературе отсутствуют. Проведенные нами исследования показали, что сегодня для обобщенной количественной оценки тепломассообменных процессов и математического описания происходящих при этом распределенных биохимических изменений в объектах обработки более эффективными являются методы системного анализа.

В связи с этим возникает необходимость создания информационных технологий системного анализа состояний и изменений в мясопродуктах в процессах тепломассопереноса с выходом на оптимальные режимы, обеспечивающие максимальное сохранение пищевой и биологической ценности при нагреве. В этом направлении решение проблемы интенсификации современных технологий связано с разработкой компьютерной знание-ориентированной системы на основе численных методов моделирования и оптимизации тепломассообменных процессов при тепловой обработке биосырья в общей структуре технологической системы. Такой подход обеспечивает достижение режимов ресурсосбережения и получения продукта заданного качества с прогнозируемыми показателями пищевой и биологической ценности.

В диссертации обобщены результаты научных исследований за период 1990–2009 гг., выполненные лично автором, а также под его руководством. Работа выполнялась по договору Министерства высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан и Министерства образования и науки Российской Федерации по линии международного образования и сотрудничества (постановление Правительства Российской Федерации от 04.11.2003, № 668).

Автор выражает глубокую признательность Президенту Московского государственного университета прикладной биотехнологии академику РАСХН, д.т.н., профессору И.А. Рогову за содержательные консультации и поддержку при выполнении данной научно-исследовательской работы; ректору академику РАСХН, д.т.н., профессору Е.И. Титову за моральную поддержку и созданные условия при выполнении диссертационной работы; проректору по научной работе д.т.н, профессору Г.В. Семенову и заведующему кафедрой «КТиС» д.т.н., профессору Ю.А. Ивашкину за научные обсуждения и консультации в процессе работы над диссертацией, а также сотрудникам кафедры «ТОПО» и «КТиС» за конструктивную помощь при выполнении научной работы.

Цель и задачи исследования


Целью диссертационной работы является многокритериальная оптимизация тепломассообменных процессов с учетом массовых превращений компонентов пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов, прогнозирования качества готовых продуктов на основе системного анализа, компьютерных технологий и разработки практических решений по конструкциям высокоэффективных тепловых аппаратов, управлению режимными параметрами процесса термического воздействия.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

• развитие физической модели тепломассообмена в процессах инфракрасных тепловых воздействий с учетом массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности биопродукта;
  
• разработка иерархической структуры системных исследований процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ИК-энергоподводе;
  
• экспериментальные исследования физико-химических показателей, микробиологических явлений и эффектов, микроструктуры, закономерностей тепломассообмена по уровням иерархии в мясных полуфабрикатах в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах;
  
• математическое описание массовых превращений показателей пищевой и биологической ценности как функции тепловых воздействий и создание на этой основе расширенной модели тепломассообменных процессов с учетом изменений массовых долей биологических компонентов;
  
• экспериментальные исследования технологических критериев эффективности тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
  
• разработка критериев многоуровневой оптимизации минимизации потерь пищевой и биологической ценности: амино- жирных кислот и витаминов;
  
• разработка алгоритмов математического моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов на различных уровнях иерархии оценок;
  
• разработка структурно-параметрической модели прогнозирования качества готового продукта при оптимальных параметрах ИК-энергоподвода с учетом параметров биосырья, технологии и особенностей аппаратурного оформления процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
  
• разработка информационной технологии и компьютерной системы поддержки принятия оптимальных решений в управлении процессом тепловой обработки мясных полуфабрикатов;
  
• разработка рекомендаций и технических решений по проектированию оптимальных процессов тепловой обработки мясных продуктов и высокоэффективных аппаратов ИК-нагрева.
  

Концептуальная направленность диссертации состоит в разработке оптимальных режимных параметров процесса, обеспечивающих максимальное сохранение пищевой и биологической ценности готовых продуктов при ИК-нагреве.


На защиту выносятся:

• физическая модель процесса ИК-нагрева, описывающая тепломассообмен и изменения массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов;
  
• иерархическая структура комплекса изменений физико-химических, микробиологических, тепломассообменных процессов в мясных полуфабрикатах при ИК-нагреве;
  
• результаты комплексных экспериментальных исследований физико-химических закономерностей качественных показателей процесса тепловой обработки на различных уровнях иерархической структуры, а именно: изменение амино- и жирнокислотного составов, витаминов, минеральных веществ и микроструктуры в сравнительном анализе при ИК- и СВЧ-нагревах, исследование полей температур, влажности мясных полуфабрикатов и мясных рецептурных композиций с растительными добавками, кинетики процесса нагрева и обезвоживания с целью прогнозирования режимов тепловой обработки в заданном интервале для получения продукта требуемого качества;
  
• система критериев многоуровневой оптимизации пищевой и биологической ценности мясных полуфабрикатов;
  
• модели и алгоритмы многокритериальной оптимизации тепло-массообменных процессов ИК-обработки мясных полуфабрикатов;
  
• методология структурно-параметрического анализа и прогнозирования качества готовых продуктов при оптимальных режимах тепловой обработки мясных полуфабрикатов с использованием инфракрасного энергоподвода;
  
• информационная технология и программная реализация режимных параметров процесса во взаимосвязи с технологическими критериями качества и критериями по минимизации потерь пищевой и биологической ценности;
  
• рекомендации по рациональным режимным параметрам и аппаратурному оформлению процессов производства мясных полуфабрикатов с применением инфракрасного энергоподвода.
  

Научная новизна

• разработана методология иерархического многоуровневого системного анализа тепломассообменных процессов и изменений массовых долей ингредиентов, определяющих пищевую ценность продукта, и компонентов, определяющих биологическую ценность, при инфракрасной тепловой обработке мясных полуфабрикатов;
  
• предложена физическая модель тепломассопереноса с учетом изменений массовых долей биологических компонентов мясных полуфабрикатов при инфракрасных тепловых воздействиях и на ее основе разработана расширенная математическая модель тепломассообменных процессов во взаимосвязи с массовыми превращениями ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности мясных полуфабрикатов при тепловой обработке;
  
• получены полиномные зависимости, описывающие динамику биохимических изменений амино- и жирнокислотного составов, витаминов, белковых и липидных фракций мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки;
  
• разработаны критерии многоуровневой оптимизации по оценке потерь пищевой ценности: белков, жиров, влаги; белковых и жировых фракций мышечной ткани; биологической ценности: аминокислот, жирных кислот и витаминов;
  
• разработаны алгоритмы имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов для различных уровней системного анализа с минимизацией изменений белковых и жировых фракций мышечной ткани, амино- и жирокислотного составов, микроэлементов и витаминов при инфракрасном энергоподводе;
  
• разработаны структурно-параметрическая модель, информационная технология анализа и прогнозирования процесса ИК-обработки мясных полуфабрикатов как большой многофакторной технологической системы;
  
• разработана компьютерная экспертная система проектирования оптимального процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов по критериям минимальных потерь ингредиентов пищевой и компонентов биологической ценности.
  

Практическая значимость и реализация результатов работы

• оптимальные режимы процесса тепловой обработки мясных полуфабрикатов и мясных композиций в условиях ИК-облучения, учитывающие влияние тепломассообменных процессов на пищевую и биологическую ценность мясных изделий;
  
• рекомендации по конструкции печи с инфракрасными излучателями с варьированием различных вариантов тепловой обработки;
  
• программный комплекс компьютерной системы моделирования, оптимизации и управления качеством мясных полуфабрикатов в процессе тепловой обработки по параметрам пищевой и биологической ценности с учетом тепло-массообменных процессов в рабочей камере ИК-печи.
  

Оптимальные режимные параметры тепловой обработки мясных полуфабрикатов и конструкция ИК-печи внедрены на Выхинском колбасном заводе «Рус-Агро-Люкс-М», на OOO «Андреевские колбасы», Можайском, Таганском и Сергиево-Посадском мясокомбинатах.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс по подготовке специалистов по направлениям: 240901 – Биотехнология; 260100 – Технология продуктов питания; 260301 – Технология мяса и мясных продуктов; 260303 – Технология молока и молочных продуктов; 230102 – Автоматизированные системы обработки информации и управления.

Апробация работы


Материалы диссертации докладывались на III, IV, V, VII Международных научных конференциях «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2004, 2005, 2006, 2008); на 5-ом Международном симпозиуме по химии природных соединений (Ташкент, 2003); на ХVI и ХХ Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003; Ярославль, 2007); Международной научно-технической и практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Ташкент, 2003); Международной конференции «Инновация – 2003» (Ташкент, 2003); в Центральном доме ученых Российской Академии наук (Москва, декабрь, 2004); на Всероссийской научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004); на II и III– й Всероссийской конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); на II, III, IV Международных научно-технических конференциях AIS`06, 07, 08 CAD «Интеллектуальные системы» и «Интеллектуальные САПР» (Дивноморское, 2006, 2007, 2008); на Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEV и технологии National Instruments» (Москва, 2007, 2008); на II- й Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2007); на Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008); на V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); на III-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008 (Москва-Тамбов–2008).


Публикации


По результатам исследований опубликовано 117 научных и методических работ, 86 из которых представлены в автореферате, в том числе 3 монографии, научные статьи и материалы, изданные в научных периодических международных и российских журналах «Химия природных соединений», «Пищевая промышленность», «Мясная индустрия», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Вопросы питания», «Системы управления и информационные технологии», «Известия ВУЗов. Пищевая технология», отраслевом журнале «Все о мясе», трудах международных и всероссийских конференциях. Новизна технических и технологических решений отражена в патентах и официальных регистрациях программ для ЭВМ.


Структура и объем работы


Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 461 наименование, из них 54 зарубежных, основных обозначений и сокращений. Работа изложена на 377 стр. основного текста, содержит 57 таблиц, 119 рисунков и приложений.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность проблемы создания высокоэффективных инфракрасных технологий, интенсифицирующих процесс тепловой обработки мясных полуфабрикатов и мясных композиций, дан анализ применения инфракрасного нагрева в пищевом производстве, сформулирована цель исследования, показана необходимость многокритериальной оптимизации тепломассообменных процессов с учетом изменений биологических компонентов мясных продуктов.

В первой главе дан анализ существующих проблем оптимизации и интенсификации процессов получения высококачественных продуктов питания. Проанализированы способы, современное оборудование и аппараты для тепловой обработки пищевых продуктов, в том числе мясных продуктов.

Логика построения системных исследований отражена на рис.1.