Розвиток наукових основ гідродинамічного диспергування молочних емульсій: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової проблеми підвищення ефективності виробництва питного молока і молочних продуктів, які виробляються з використанням гомогенізації, шляхом розвитку наукових основ гідродинамічного диспергування молочних емульсій. Розроблено теорію гідродинамічного диспергування жирової фази молока на підставі визначення прискорення потоку емульсії, яке може бути універсальним параметром, який визначає руйнування жирових часток емульсій для більшості типів гомогенізаторів молока. На основі нової теорії розроблені математичні моделі гідродинамічного диспергування молочного жиру в пульсаційному апараті з ротором, що вібрує і пульсаційному поршньовому гомогенізаторах молока. Розроблена математична модель гідродинамічного диспергування молочного жиру, яка основана на визначенні швидкості жирової кульки відносно дисперсійного середовища в струминному гомогенізаторі молока з роздільною подачею жирової фази при використанні одночасної нормалізації молока за жирністю. Введений показник – «коефіцієнт гомогенізації», який пов’язує прискорення руху емульсії з середнім діаметром жирової частки молочної емульсії, що дозволяє кількісно характеризувати додаткові умови ефективності процесу диспергування жирової фази молока. На основі нових математичних моделей гомогенізації розроблені промислові зразки пульсаційного апарата з ротором, що вібрує, пульсаційного поршньового та струминного гомогенізатора з роздільною подачею жирової фази, які дозволяють отримати молочну емульсію з середнім розміром жирових кульок 0,8 мкм і при цьому мають у 4,9–6,7 рази менші питомі енерговитрати.

Samoichuk K.O. Development of Scientific Bases of the Hydrodynamic Dispergating of Milk Emulsions. – Manuscript. Dissertation for the Doctor’s Degree of Technical Sciences on Speciality 05.18.12 – Processes and Equipment of Food, Microbiological and Pharmaceutical Industries. – Kharkiv State University of Food Technology and Trade of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2018. The work is aimed at solving an important scientific issue to increase efficiency of production of drinkable milk and dairies, which are produced with the use of homogenization, via development of scientific bases of the hydrodynamic dispergating of milk emulsions. Main mechanisms of dispergating of milk fat were defined on the basis of analysis of the recent researches in the sphere of homogenization of emulsions: Kelvin-Helmholtz and Riley-Tailor. Common for these mechanisms is creation of hydrodynamic conditions in the working areas of homogenizers, which promote the increase of relative speed of dispersed and continuous phases and acceleration of stream of milk emulsion. These summarizing factors of homogenization allow promoting development and optimization of design of the stream homogenizers with a separate supply of the fat phase (SHSSFP), pulsation machine with a vibrating rotor (PM with VR) and pulsation reciprocating homogenizer (PRH). The dependences are received that link the acceleration of movement of milk emulsion, slide velocity of the fat globule (its velocity relative to surrounding plasma), average diameter of the fat globule after hydrodynamic dispergating and Weber criterion. It is indicated that acceleration of movement of emulsion is a parameter which can become universal – unifying factor of disruption of fat particles of emulsions for most types of homogenizers. An index had been introduced – «coefficient of homogenization» which binds the acceleration of movement of emulsion to the average diameter of the fat particle of milk emulsion. It characterizes physical and mechanical properties of the emulsion and allows prognosticating efficiency of homogenizers of milk. The mathematical model of dispergating fat phase of milk in the pulsation homogenizer with one piston and the PM with VR had been built. Analytical interrelation had been received between the multiplicity of treatment and design and kinematics indexes of PRH and their influence on energy consumption and degree of dispergating of milk fat had been prognosticated. It describes the stages of developing continuous mathematical function of the process of area variation of the flow area of the interrupter of the rotor pulsation machine. On this basis the mathematical model of the hydrodynamic dispergating of fat phase of milk emulsion in PM with VR had been worked out for energy effective-resonance modes of operation. The rational design and technological and hydraulic values of PM with VR, SHSSFP and PRH had been determined for achieving high degree of dispersion of milk emulsion at minimal specific energy consumption. Conducted experimental researches indicate the determining role of velocity of flowing milk plasma around the fat globule in the process of dispergating of milk fat in SHSSFP on Weber criterion. Experimental data of the coefficient of stream homogenization had been received. They enabled to set the rational parameters of process of SHSSFP and define the value of Weber criterion for homogenization of milk. The conducted researches of PRH and PM with VR proved the analytical model of dispergating of fat phase of milk in the pulsation homogenizers. The values of homogenization coefficients for SHSSFP, PRH and PM with VR had been experimentally estimated. Considerable increase of homogenization efficiency was observed when conditions were created for the resonance phenomena in PM with VR. The results of the study on estimating required multiplicity of emulsion passing through the piston holes of PRH are obtained. Optimization of design, kinematics and technological indexes of SHSSFP, PRH and PM with VR is conducted aiming to decrease energy consumption at achieving required degree of dispergating of milk emulsion. Design procedures are given on design, technological and power parameters of operation of SHSSFP, PRH and PM with VR. The synthesis of prospective design decisions of hydrodynamic dispergators is presented. The industrial prototypes of SHSSFP, PRH and PM with VR had been developed. They produce the emulsion with the average diameter of fat globules of 0.8 µm and have 4.9–6.7 times lesser specific energy consumption than homogenizers of milk in industrial use.