Інтенсифікація процесу періодичного екстрагування за допомогою низькочастотних механічних коливань при виробництві екстрактів із рослинної сировини - Автореферат

Масштаби сучасного харчового виробництва на основі екстрактів та існуюча проблема найбільш повного вилучення цільових компонентів із рослинної сировини вимагає створення нового екстракційного обладнання, здатного поглиблено та ефективно її переробляти. Дисертаційна робота виконувалась відповідно пріоритетному напрямку наукових робіт НУХТ на 2006 - 2010 рр. «Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв з метою створення нових високоефективних технологій та обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК» (схвалено Вченою Радою НУХТ протокол № 7 від 25.03.2006), плану науково-дослідної роботи кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування НУХТ за напрямом „Інтенсифікація технологічних процесів в харчовій і мікробіологічній промисловості”, а також держбюджетної тематики фундаментальної науково-дослідної роботи ПНДЛ НУХТ „Дослідження впливу низькочастотних механічних коливань на інтенсифікацію процесу екстрагування із рослинної сировини (наказ МОН № 654 від 16.11.05., шифр держреєстрації 1006U000418). розробити математичні моделі зовнішнього масообміну в умовах періодичного віброекстрагування цільових компонентів із рослинної сировини; На основі проведених досліджень сформульовано такі наукові результати, які виносяться автором на захист: - вперше з використанням модельної речовини з дифузійним типом розчинення проведено дослідження ефективності впливу пульсуючого потоку на зовнішній масообмін у системі рослинна сировина - вода при віброперемішуванні. розроблено й виготовлено нові конструкції віброекстракторів періодичної дії, які створюють оптимальні гідродинамічні умови масообміну в системі рослинна сировина - рідина за рахунок пульсуючих вібротурбулізуючих знакозмінних струменів, що забезпечує перспективність їх використання в харчовій та фармацевтичній промисловостях;Доведено, що поряд з існуючою проблемою апаратурного оформлення процесу одним із перспективних способів інтенсифікації екстрагування з рослинної сировини є застосування низькочастотних механічних коливань. У другому розділі наведено схеми експериментальних установок та методики досліджень дифузійних властивостей рослинної сировини, питомого водопоглинання рослинною сировиною, дослідження ефективності впливу пульсуючого потоку на зовнішній масообмін при віброекстрагуванні з використанням зразків модельної речовини. З цією метою було розроблено віброекстрактори періодичної дії для системи тверде тіло - рідина, що використовують новий принцип створення в робочому обємі апарата потужних вібротурбулізуючих потоків за допомогою віброперемішувальних пристроїв спеціальної конструкції незалежно від виду рослинної сировини та ступеню її подрібнення. Під час дослідів параметри коливань віброперемішувальних пристроїв екстракторів (рис.1 і 2) змінювались у межах 3 - 9 Гц, при фіксованих амплітуді (10 і 20 мм), довжині частинок сировини (2 - 10 мм), тривалості проведення процесу (15, 30 і 45 хв). Відлік поточного часу розчинення зразка починається з часу , тобто з початкового моменту занурення в екстрагент зразка та часу його переміщення в екстрагенті до запланованої координатної (робочої) точки занурення: При цьому, маса зразка на поточний момент часу становить де - густина матеріалу зразка; зміна обєму зразка на поточний момент часу ; - висота зразка (величина стала, оскільки торці зразка вкриті шаром водостійкого лаку);Аналіз традиційних способів вилучення цільових компонентів із рослинної сировини підтвердив високу інтенсифікуючу дію низькочастотних механічних коливань та перспективність застосування віброекстрагування в різних галузях промисловості. Визначені коефіцієнти молекулярної дифузії можуть бути використані для розрахунку кінетичних характеристик процесу вилучення дубильних речовин із цієї сировини при проектуванні екстракційної апаратури. Встановлено вплив режимних та технологічних параметрів на зовнішній масообмін при періодичному віброекстрагуванні дубильних речовин із чайної сировини, лофанту і гісопу на розроблених конструкціях апаратів. Отримані рівняння регресії, що описують процес вилучення таніну з чайного листя в залежності від температури екстрагенту, тривалості процеса, гідромодуля, розміру частинок сировини та частоти коливань віброперемішувального пристрою надають можливість встановити найбільш раціональні режими ведення процесу екстрагування пропонованим способом. Встановлено, що найбільший ефект вилучення цільових компонентів із рослинної сировини досягається при поєднанні віброперемішування та ефекта проміжного віджиму сировини в обємі апарата.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз традиційних способів вилучення цільових компонентів із рослинної сировини підтвердив високу інтенсифікуючу дію низькочастотних механічних коливань та перспективність застосування віброекстрагування в різних галузях промисловості.

Доведено можливість застосування модельної речовини з дифузійним типом розчинення для оцінення ефективності впливу гідродинамічних умов віброекстрагування на зовнішній масообмін. Встановлено, що незначна зміна швидкості пульсуючих потоків призводить до суттєвого зростання коефіцієнта розчинення. Цей спосіб та розроблена математична модель можуть бути поширені на всі типи екстракційної апаратури.

Експериментально встановлено, що для оптимального забезпечення молекулярної дифузії у чайному листі, лофанті і гісопі необхідна температура 60?70° С. Визначені коефіцієнти молекулярної дифузії можуть бути використані для розрахунку кінетичних характеристик процесу вилучення дубильних речовин із цієї сировини при проектуванні екстракційної апаратури.

Встановлено вплив режимних та технологічних параметрів на зовнішній масообмін при періодичному віброекстрагуванні дубильних речовин із чайної сировини, лофанту і гісопу на розроблених конструкціях апаратів. Доведено, що найбільш ефективним є режим екстрагування при частоті коливань віброперемішувального пристрою до 9 Гц, амплітуді 10?20 мм, гідромодулі (10?20):1 та температурі: при атмосферному тиску - 80?85° С; при розрідженні 0,5?0,8 ат - 70?50° С. При цьому досягається максимальний вихід цільових компонентів і висока якість екстракту. Отримані рівняння регресії, що описують процес вилучення таніну з чайного листя в залежності від температури екстрагенту, тривалості процеса, гідромодуля, розміру частинок сировини та частоти коливань віброперемішувального пристрою надають можливість встановити найбільш раціональні режими ведення процесу екстрагування пропонованим способом.

Запропонована методика встановлення результуючого ефекту перенесення речовини на мікро- і макрорівнях з використанням обємного коефіцієнта масопередачі, математична модель для прогнозування зміни поточної концентрації цільового компонента в екстрагенті та визначення мінімального часу твердофазного екстрагування.

Розроблено номограми для визначення дифузійного критерія Біо, адаптовані під інтегровану систему MATHCAD для автоматизації інженерних розрахунків.

7. На основі накопичених експериментальних даних та отриманих в результаті їх узагальнення аналітичних залежностей розроблено нові конструкції періодично діючих віброекстракторів (пат. України 14515 від 15.05.2006 та 25090 від 25.07.2007). Встановлено, що найбільший ефект вилучення цільових компонентів із рослинної сировини досягається при поєднанні віброперемішування та ефекта проміжного віджиму сировини в обємі апарата.

8. Матеріали досліджень використані Яготинським машинобудівним заводом при сумісному розробленні технічної документації віброекстрактора та його виготовленні. Віброекстрактор періодичної дії успішно пройшов випробування на Агропромисловому виробництві в м. Берегово. Очікувана розрахункова сумарна дисконтована віддача проекту від впровадження у виробництво в 5,9 разів перевищить інвестиційні вкладання.

9. Розроблена нова апаратурно-технологічна схема виробництва чайного концентрату (пат. України 25089 від 25.07.2007), яка може бути використанана для поглибленого перероблення іншої рослинної сировини та її відходів з можливістю отримання кінцевого продукту у вигляді рідкого концентрату або розчинного порошку.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Завялов В.Л., Бодров В.С., Попова Н.В. Безвідходне енергозбережне виробництво чайного концентрату // Харчова промисловість. - 2005. - № 4. - С. 148 - 150.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

2. Попова Н.В., Косоголова Л.А., Завялов В.Л., Малежик І.Ф. Розробка технологічних режимів одержання екстракту з пряно-ароматичної рослинної сировини // Наукові праці ОДАХТ. - 2006. - Т. 2, № 28. - С. 350 - 353.

Особистий внесок здобувача: розробка математичнийх моделей та алгоритмів.

3. Завялов В.Л., Попова Н.В. Дослідження дифузійних властивостей листової чайної сировини // Наукові праці ВДАУ. - 2006. - № 1. - С. 14 - 18.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

4. Завялов В.Л., Попова Н.В., Лобок О.П. Дослідження кінетики процеса екстрагування з листової чайної сировини в апаратах періодичної дії із різними вібраційними системами перемішування // Вісник Харківського націон. техн. університету сільськ. госп. ім. П.Василенка. - 2007. - C. 102 - 112.

Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних положень, постановка й інтерпретація досліджень.

5. Завялов В.Л., Попова Н.В., Немирович П.Н, Балян А.В., Кормош С.М. Дослідження екстрагування флавоноїдних сполук з лофанту і гісопу у віброекстракторі // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук. техн. журнал. - 2007. - № 4 (49). - C. 13 - 17.

Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних положень, формулювання висновків та результатів.

6. Завялов В.Л., Лобок О.П., Попова Н.В., Бодров В.С. Математична модель зовнішнього масообміну періодичного віброекстрагування з рослинної сировини // Наукові праці Національного університету харчових виробництв. - 2008. - № 24. - C. 50 - 54.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

7. Пат. 14515 Україна, МПК В 01 D 11/02. Вібраційний екстрактор / Завялов В.Л., Попова Н.В., Мисюра Т.Г., Бодров В.С.- № U 2005 11361; заявл. 30.11.2005; опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5. - 3 с.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

8. Пат. 25090 Україна, МПК В 01 D 11/02. Екстрактор / Завялов В.Л, Попова Н.В. - № U 2007 03028; заявл. 22.03.2007; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11. - 3 с.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

9. Пат. 25088 Україна, МПК В 01 D 11/02. Екстрактор / Завялов В.Л., Попова Н.В. - № U 2007 03024; заявл. 22.03.2007; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11. - 4 с.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

Пат. 25089 Україна, МПК С 11 В 9/02. Лінія виробництва концентрату екстракту чаю / Завялов В.Л., Попова Н.В., Мисюра Т.Г. - № U 2007 03025; заявл. 22.03.2007; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11. - 4 с.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

11. Попова Н.В., Курило Н.Г., Леваш Л.Л., Завялов В.Л., Бодров В.С. Математична модель для визначення мінімального часу перемішування: програма і матеріали атеріали 67 - ої Наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: УДУХТ, 2001. - С. 144.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

12. Попова Н.В., Завялов В.Л., Бодров В.С. Дослідження процесу екстрагування водорозчинних речовин із чайної сировини: програма і матеріали ІХ Міжнародної науково-технічної конференції „Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи”. - К.: НУХТ, 2005. - С. 12 - 13.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

13. Попова Н.В., Байчак Н.М., Гуцалюк О.І., Шевчук О.К., Завялов В.Л., Бодров В.С. Безвідходне енергозберігаюче виробництво чайного екстракту: програма і матеріали 71 - ої Наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2005. - С. 124.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

14. Завялов В.Л., Бодров В.С., Попова Н.В. Дослідження процесу екстрагування водорозчинних речовин із чайної сировини на лабораторній екстракційній установці періодичної дії: програма і матеріали 72 - ої Наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2006. - С. 131 - 132.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

15. Бідкова В.Є., Демченко І.М., Лапко Ю.В., Завялов В.Л., Попова Н.В., Кулінченко В.Р. Дослідження масообміну в умовах віброперемішування: програма і матеріали 72 - ої Наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2006. - С. 135.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

16. Ратушна Н.В., Цимбал С.П., Попова Н.В., Завялов В.Л. Вплив низькочастотних механічних коливань на процес вилучення цільових компонентів із чаю при виробництві екстрактів: програма і матеріали 73-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2007. - С. 146.

Особистий внесок здобувача: інтерпретація постановки задачі досліджень, формулювання висновків та результатів.

17. Лобко О.В., Суслова І.М., Попова Н.В., Завялов В.Л., Лобок О.П. Математичне моделювання зовнішнього масообміну в умовах періодичного віброекстрагування із рослинної сировини: програма і матеріали 74-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів «Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті». - К.: НУХТ, 2008. - С. 383.

Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.

Размещено на .ru