Наукове обгрунтування впливу механічних коливань на інтенсифікацію процесів переробки харчової сировини: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертацію присвячено розробці та впровадженню в переробні галузі АПК України наукових основ та апаратурного оформлення високоінтенсивних процесів з застосуванням механічних коливань, які забезпечують зниження питомих витрат енергії, капітальних та експлуатаційних затрат, а також підвищення якості продуктів. Теоретично обґрунтований і експериментально підтверджений вплив низькочастотних механічних коливань (вібрацій) на інтенсифікацію таких процесів: миття харчової сировини (на прикладі субпродуктів), ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин (на прикладі м’ясокісткових бульйонів, соєвого молока, сколотин), конвективного сушіння рослинних матеріалів в аеровіброкиплячому шарі (на прикладі топінамбура, хріна, гліду) та сушіння і термічної обробки різноманітної харчової сировини ІЧнагріванням в віброкіплячому шарі (на прикладі соєвих бобів, крохмалю, зерен пшениці, окари та інш.). Встановлені раціональні параметри досліджених процесів. Запропоновано ряд прогресивних технологічних схем і вдосконаленого обладнання для безвідходної переробки харчової сировини з застосуванням механічних коливань. Результати досліджень упроваджені на харчових виробництвах та підприємствах харчового машинобудування

Диссертация посвящена разработке и внедрению в перерабатывающие отрасли АПК Украины научных основ и аппаратурного оформления высокоинтенсивных процессов с применением механических колебаний, которые обеспечивают снижение удельных затрат энергии, капитальных и эксплуатационных расходов, а также повышение качества продуктов. Предложена научная концепция о влиянии механических колебаний (вибраций) на интенсификацию гидромеханических, тепло-, массообменных процессов и транспортирование пищевого сырья. Для реализации концепции определены следующие наименее изученные направления – мойка, ультрафильтрация, сушка и термическая обработка пищевого сырья. Теоретически обосновано влияние механических колебаний на интенсификацию процесса мойки пищевого сырья (на примере субпродуктов), которое состоит в определении импульсов мгновенных сил давления на пленку грязи. С целью интенсификации процесса мойки аналитическое исследование вибрационного транспортирования продукта предусматривает интенсивное подбрасывание последнего, кратное периоду вынужденных колебаний. Движение тела при этом разделено на два участка: совместное с поверхностью вибрирующего перфорированного лотка и свободное движение, называемое “полетом”. Получены формулы для определения средней скорости вибротранспортирования субпродуктов, амплитуды колебаний и мощности инерционного привода рабочего органа с учетом взаимного влияния масс ведущего (привода) и ведомого (вибролотка) звеньев, а также гидравлического сопротивления, пропорционального квадрату скорости. Впервые экспериментально исследован процесс вибротранспортирования субпродуктов при их мойке в разработанном вибрационном устройстве для мойки субпродуктов; выполнено моделирование процесса, связывающее качество мойки, производительность устройства, потребляемую мощность с параметрами вибрации – амплитудой и частотой колебаний рабочего органа. Для уменьшения величины сопротивления и увеличения движущей силы при ультрафильтрационном концентрировании биологических жидкостей предложено и теоретически обосновано использование перфорированной вибрирующей пластины, размещенной в близости от плоской ультрафильтрационной мембраны. Теоретическая модель предполагает повышение проницаемости мембраны за счет возникновения дополнительного давления, вызываемого образованием пакета волн в виде солитонов, и эффекта срыва гелевого слоя с поверхности мембраны под действием поперечного градиента давления, образуемого вихревыми струеподобными структурами. Экспериментально подтверждено увеличение проницаемости мембраны в 1,5…2,0 раза за счет использования вибрационных воздействий (на примере ультрафильтрационного концентрирования мясокостных бульонов, соевого молока и пахты), установлены рациональные режимы осуществления процесса концентрирования отмеченных продуктов. Теоретическое обоснование влияния механических колебаний на интенсификацию тепло-, массообмена в процессах сушки пищевого сырья в аэровиброкипящем слое (АВКС) базируется на рассмотрении активных гидродинамических режимов, а также на взаимодействии эффектов кавитации и изменения избыточного давления жидкости в каналах, которые вибрируют. Исследовано гидродинамику аэрокипящего (АКС) и аэровиброкипящего слоя (АВКС) растительных материалов (на примере корней хрена, клубней топинамбура и плодов боярышника) при различных параметрах вибраций, а также тепло- и массообмен при их сушке. Эффект влияния механических колебаний на процесс сушки проявляется в увеличении интенсивности сушки в периоде постоянной скорости и уменьшении скорости теплоносителя в 1,5…1,6 раза, а также увеличении производительности аппаратов с АВКС в сравнении с АКС на 20…50%. Приведены теоретические предпосылки ИК-нагрева продуктов в виброкипящем слое (ВКС), которые достаточно точно отражают тепло- и массообмен при сушке и термической обработке разнообразного пищевого сырья, что подтверждается экспериментальными исследованиями. На основании уравнения теплового баланса процесса получено выражение, связывающее температуру продукта с плотностью теплового потока и временем термической обработки. Перемещение и интенсивное перемешивание продуктов в ВКС создают условия постоянного обновления слоя продукта, находящегося в зоне действия ИК-излучения. Это обеспечивает импульсный нагрев продуктов и позволяет при высоких тепловых напряжениях избежать их перегрева. Установлены рациональные режимы сушки и термической обработки макаронных изделий, крахмала, зерен пшеницы, окары и соевых бобов ИК-излучением в ВКС. Предложен ряд прогрессивных технологических схем по безотходной переработке пищевого сырья, разработана конструкторская документация на ряд перспективных вибрационных аппаратов – аппарат жарочный вибрационный, вибрационный сушильно-охладительный аппарат, аппарат для просеивания и радиационной сушки крахмала, устройство для мойки субпродуктов и три конструкции ультрафильтрационного модуля. Результаты исследований внедрены на пищевых производствах и предприятиях пищевого машиностроения.

The dissertation is dedicated to the development and inculeation of the scientific bases and hardware design of highly intensive processes with the application of vibration methods, which provide improvement of the quality of products, decrease of specific energy consumption, capital and working costs in APS refining area of Ukraine. Influence of low-frequency mechanic vibrations at the intensification of such processes: washing of raw foodstuff (e.g. subproducts), ultra filtrational concentration of biological liquids (e.g. meat-and-bone broth, soya milk, etс) convective drying of vegetable materials in aerovibroboiled seam (e.g. horse-radish, topinamber), and drying and thermal processing of different raw foodstuf IR-heating in aerovibroboiled seam (e.g. soya beans, starch, wheat grains etc) are theoretically and experimentally confirmed. Rational parameters of the processes under research are determined. A number of progressive technological schemes and improved equipment for wasteless processing of raw foodstuff with the application of vibration methods are offered. Result of researches are inculcated on catering and food engineering enterprises.