Науково-теоретичні основи процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем та розробка обладнання для його реалізації: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Робота присвячена розробці науково-теоретичних основ процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем та обладнання для універсального водополімерного різання в режимі 3D за умов енергоресурсозбеження і забезпечення вимог щодо екологічності виробництва. Наукова концепція роботи полягає у використанні здібності розчинів полімерів змінювати свої фізико-хімічні властивості під дією розтягуючої течії для розроблення технології універсального водополімерного різання в режимі 3D за умови ефективного використання енергетичних ресурсів та обладнання для його реалізації. Вирішення поставленої проблеми полягає у встановлені закономірностей реофізичної поведінки розчинів полімерів у струменеформуючій голівці і взаємодії водополімерного струменя з харчовими продуктами, необхідних для розвитку науково-теоретичних основ процесу різання з можливістю отримання різної конфігурації поверхні розрізів харчової сировини завдяки дії водополімерного струменя як універсального способу різання. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, розкрито її зв'язок з науковими планами і темами ХДУХТ та ІФНТУНГ, сформульовано концептуальну гіпотезу, мету, завдання, об’єкт і предмет дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. 3 Перший розділ містить критичний огляд науково-технічної і патентної літератури за наявними механічними засобами і обладнанням для різання харчових продуктів. У цьому розділі розглядаються процес гідрорізання і галузі промисловості, де цей процес застосовується. За результатами огляду збіжної і турбулентної течій розчинів полімерів та використання полімерних домішок для різання харчових продуктів і матеріалів встановлено, що сучасні уявлення про процес гідрорізання харчових продуктів, особливо водополімерним струменем, далекі від досконалості. Обґрунтовано, що до розробки науково-теоретичних основ процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем і обладнання для його реалізації можна підійти, використовуючи для цього спостережувані особливості в гідродинамічній поведінці розчинів полімерів при повздовжній течії, яка реалізується у вхідній ділянці сопла. У другому розділі наведено організаційні, методологічні, теоретичні та технічні аспекти дослідження. Розроблено структурно-логічну схему проведення комплексного дослідження за темою дисертації, проведено опис оригінальної експериментальної техніки, використаної під час проведення досліджень, а також опис нестандартних методів проведення експериментів, планування експерименту і математичної обробки експериментальних даних. Для обґрунтування і вибору критерію опірності замороженого харчового продукту різанню водополімерним струменем вивчено вплив твердості, граничного напруження зрізу і межі міцності за одновісного стискання філе курки бройлера, риби хека, яловичини і свинини на процес різання. Зроблено висновок, що критерієм опірності заморожених харчових продуктів різанню водополімерним струменем є межа міцності при одновісному стисканні. Третій розділ присвячено встановленню закономірностей реофізичної поведінки розчинів полімерів в умовах сопла гідрорізальної струменеформуючої голівки. Встановлені закономірності реофізичної поведінки водних розчинів поліетиленоксиду (ПЕО) при витіканні з сопла 4 гідрорізальної струменеформуючої голівки, що полягають в спостережуваному динамічному структуроутворенні, обумовленому виникненням високого ступеня молекулярної організації за наявності негативних зворотних зв’язків. Експериментально доведено, що аномально висока різальна здатність водополімерного струменя обумовлена ефектами пружних деформацій, що проявляються у вхідній ділянці сопла гідрорізальної струменеформуючої голівки. Четвертий розділ містить опис результати досліджень впливу концентрації ПЕО різних молекулярних мас, а також геометричних і динамічних параметрів гідроструменя на показники процесу різання водополімерним струменем харчових продуктів, що мають різну мінусову температуру. Викладено результати досліджень впливу геометричних і динамічних параметрів водополімерного струменя на показники процесу гідрорізання заморожених філе курки бройлера, риби хеку, свинини і яловичини за різних температур. Вирішено питання про структуру водополімерного струменя з моменту його зародження у повітряному середовищі до виродження в крапельний потік при різних режимах течії, концентраціях і молекулярних масах ПЕО, а також про ступінь силового впливу водополімерного струменя на перешкоду вздовж осі потоку. Отримані нові дані про вплив різних за конструкцією гідрорізальних струменеформуючих голівок на особливості гідродинамічної поведінки водних розчинів ПЕО під час їх протікання крізь голівки та встановлені закономірності впливу динамічних структур, що утворюються, на ефективність різання харчових продуктів водополімерним струменем. Встановлено, що глибина розрізу у харчовому продукті досить різко зростає зі збільшенням концентрації та молекулярної маси ПЕО і досягає максимуму за деяких оптимальних концентрацій. Для ПЕО з молекулярною масою 3 . 10 6 оптимальна концентрація дорівнює 0,015–0,020%, а для молекулярних мас 4 . 10 6 і 6 . 10 6 – 0,007–0,010% і 0,0015–0,0020% відповідно. Експериментальне дослідження ширини 5 розрізів харчового продукту свідчить про те, що водополімерний струмінь має значно кращі, ніж водяний струмінь, гідродинамічні властивості (менший діаметр і, відповідно, меншу ширину розрізу), що забезпечують високу продуктивність і ресурсозбереження за високої якості бічної поверхні розрізів. Комплексне вивчення особливостей процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем та аналіз отриманих експериментальних даних, що характеризують процес гідрорізання філе риби хека, курки бройлера, свинини і яловичини з використанням методів теорії подібності і розмірності, а також методів математичної статистики, дало змогу розробити математичну модель процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем. В п’ятому розділі розглянуті питання, що стосуються перспективи вдосконалення процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем шляхом реалізації осцилюючого режиму формування водополімерного струменя, а також охолодженням водополімерного струменя до температури нижче 0 о С. Теоретично обґрунтована і експериментально доведена можливість суттєвого підвищення різальної здатності водополімерного струменя в осцилюючому режимі його формування. Аналіз отриманих експериментальних результатів свідчить, що вдосконалення процесу різання харчових продуктів з використанням водополімернольодових струменів, у яких роль абразиву відіграють частинки льоду, що утворюються у процесі охолодження струменя водного розчину ПЕО парами рідкого азоту, що подається у коліматор, дає можливість підвищити глибину розрізу на 25–35%. У шостому розділ розроблено наукові основи для проектно- розрахункових опрацювань гідрорізального водополімерним струменем обладнання для різання харчових продуктів водополімерним струменем в режимі 3D за умов енергоресурсозбеження та забезпечення вимог щодо екологічності виробництва. 6 Наукова новизна одержаних результатів: – встановлено, щоб досягти однакової глибини різання заморожених харчових продуктів (в діапазоні від -3 о С до -25 о С), достатньо тиску водополімерного струменя лише 45–65% від тиску водяного струменя, і навпаки, за однакового початкового тиску спостерігається збільшення глибини і швидкості різання водополімерним струменем в 1,5–2,5 рази, що свідчить про особливий механізм його взаємодії з харчовим продуктом; – доведено, що механізм гідроструминного водополімерного різання харчових продуктів не обумовлений ефектом Томса, а полягає в руйнівній дії водополімерного струменя, «армованого» сильно розгорнутими макромолекулярними ланцюгами та динамічними надмолекулярними структурами, що утворюються під дією розтягуючої течії у вхідній ділянці сопла струменеформуючої голівки; – теоретично обґрунтована і експериментально доведена можливість прояву підвищення різальної здатності водополімерного струменя в осцилюючому режимі його формування, що випливає з теорії ефектів пружних деформацій; – розроблено науково обґрунтовані принципи проектно- розрахункових опрацювань обладнання для різання харчових продуктів водополімерним струменем в режимі 3D за умов енергоресурсозбеження та забезпечення вимог щодо екологічності виробництва; розрахунок режимів протікання водополімерного розчину крізь гідрорізальну струменеформуючу голівку ґрунтується на використанні встановленого критерію, що характеризує початок виникнення динамічного структуроутворення у водополімерних розчинах при їх протіканні крізь сопло гідрорізальної струменеформуючої голівки; – отримано дані стосовно динаміки лінійних макромолекул у вхідній ділянці сопла гідрорізальної струменеформуючої голівки, що дало змогу довести наявність суттєвої (60–70%) деформаційної дії гідродинамічного поля на макромолекулярні клубки ПЕО і, як наслідок, прояв значних 7 деформаційних ефектів при протіканні водних розчинів ПЕО крізь струменеформуючу голівку; – удосконалено уявлення про реофізичну поведінку водних розчинів ПЕО при витіканні з сопла гідрорізальної струменеформуючої голівки, що полягають у спостережуваному динамічному структуроутворенні, обумовленому виникненням високого ступеня молекулярної організації за наявності негативних зворотних зв’язків; це дозволило експериментально довести наявність впливу виявлених ефектів пружних деформацій, що проявляються у вхідній області сопла гідрорізальної струменеформуючої голівки, на аномально високу різальну здатність водополімерного струменя; – удосконалено математичну модель процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем, яка описує вплив міцності продукту та відстані до його поверхні від зрізу сопла, гідравлічних і динамічних параметрів водополімерного струменя, швидкості переміщення струменя, а також концентрації і молекулярної маси полімеру на глибину різання харчового продукту; – набули подальшого розвитку уявлення стосовно раціональних параметрів струменеформуючої голівки, що визначаються довжиною початкової ділянки водополімерного струменя, яка є функцією від концентрації і молекулярної маси полімеру і характеризує якість формування струменя розчину полімеру; – набули подальшого розвитку уявлення, що для суттєвого підвищення ефективності процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем найдоцільніше використовувати незначні домішки ПЕО при формуванні гідроструменя, а раціональні параметри соплової голівки і підвідного каналу визначати, використовуючи структурні та динамічні характеристики водополімерного струменя, що дає змогу отримувати водополімерний струмінь з поліпшеними динамічними параметрами. 8 Сформульовані і обґрунтовані наукові положення, сукупність яких є новий напрям досліджень – науково-теоретичні основи процесу різання харчових продуктів водополімерними струменями з поліпшеними динамічними параметрами, що уможливлює застосування водополімерного гідрорізання в режимі 3D за умов енергоресурсозбеження та забезпечення вимог щодо екологічності виробництва. Практичне значення одержаних результатів полягає у використанні розробленого концептуального рішення конструкції машини для універсального різання харчових продуктів водополімерним струменем в режимі 3D з можливістю отримання різної конфігурації поверхні розрізів харчової сировини за умов енергоресурсозбеження та забезпечення вимог щодо екологічності виробництва. Отримано рекомендації стосовно оптимізації процесу гідроструминного водополімерного різання заморожених харчових продуктів, реалізація яких знижує раціональний робочий тиск у 4–5 разів в порівнянні з тиском при різанні водяним струменем. Це дало змогу запропонувати універсальну гідрорізальну в режимі 3D машину МОВПС-100 з вартістю в 10 разів меншою за вартість існуючого гідрорізального обладнання. Результати дослідницько-промислової апробації машини МОВПС-100 свідчать, що процес різання харчових продуктів водополімерним струменем є екологічно безпечним, на 60% менш енергоємним та на 25% більш ресурсозберігаючим порівняно з різанням струменем води, а це підтверджує доцільність і економічну ефективність використання процесу різання харчових продуктів водополімерним струменем. Розроблено технічну документацію на машину МОВПС-100 відповідно до сформульованих науково обґрунтованих принципів проектно-розрахункових опрацювань гідрорізального водополімерним струменем обладнання для харчових продуктів. Результати роботи впроваджено (продано ліцензію на використання Know-How та технічну документацію для виробництва машини МОВПС-100), а також у навчальний процес Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу.

The work is dedicated to the development of scientific and theoretical bases of the process of hydro-jet water-polymer cutting of food products and equipment for its implementation. In terms of solving the technical task of development the process of hydro-jet water-polymer processing of food products by cutting, the necessity of studying polymer solutions under the conditions of a hydro-cutting jet head is substantiated. The conducted analytical study of the results obtained in the study of laminar flows with stretching and turbulent currents allowed us to formulate the scientific problem and tasks of research, to choose the ways and means for achieving the purpose of work. The peculiarities of the flow of an aqueous solution of polyethylene oxide (PEO) through the nozzle of the jet forming head and the structure of the hydrodynamic field in the inlet region of the nozzle are established. The problem of the dynamics of PEO molecules in the inlet region of the nozzle of the hydro-cutting jet head is solved, and the nature of the dynamic structure formation during the course of the PEO solution flow through the hydro-cutting jet-forming head is clarified. It has been experimentally proved that the occurrence of an anomalously dissipative flow regime of polymer solutions during flow through the nozzle of the jet forming head is caused by the realization of high degrees (60–70%) of 11 the unfolding of the polymer chains. The transition of the coil-unfolded chain during the flow of solutions of polymers in the inlet region of the nozzle of the hydro-cutting jet head was used, using the experimental proof of the possibility of a coil-unfolded chain transition with convergent flow, and also the theoretical analysis (within the framework of the Peterlin-de Gennes approximation) of the influence of kinetic factors on the degree of unfolding chain. The results of studies of the influence of geometric and dynamic parameters of a water-polymer jet on the indices of the process of hydro-cutting food products are described (frozen chicken fillet, hoki fish, pork and beef at different temperatures). The problem of the structure of the water-polymer jet from the moment of its formation in the air to the degeneration into a drop stream under different flow conditions, concentrations and molecular weights of polymer additives is solved, as well as the degree of force action of the water- polymer spray on the obstacle along the flow axis. It is established that the rational parameters of the hydro-cutting jet forming head are determined by the nozzle diameter and the length of the initial section of the water-polymer jet, which is a function of the concentration and molecular weight of the polymer and which characterizes the quality of the formation of the water-polymer jet. The calculated dependences of the length of the initial section of a high-speed water-polymer jet on the relaxation time of aqueous solutions of PEO and the quality of nozzle etching, the feed channel and their parameters, and the calculated dependence of the diameter of water- polymer jets along their length, allowing determination of the diameter of the water-polymer jet at various distances from the nozzle cut quality of its formation. To substantiate and choose the criterion of resistance to hydro-jet water-polymer processing of various frozen food products, the effect of various indices of the physical and mechanical properties of the frozen flick of the 12 broiler hoki fish, pork and beef at different temperatures on the cutting process was studied. Using a generalized analysis of experimental data, methods of the theory of similarity and dimensions, and methods of probability theory and mathematical statistics, a mathematical model was obtained in dimensionless form to determine the depth of cut in food products, taking into account their strength in uniaxial compression, the optimum distance between the nozzle cut and the surface of food product, nozzle diameter, as well as the hydraulic and regime parameters of the water-polymer jet, the velocity of the jet and the quality of its formation. An important feature of this equation is that it takes into account the quality of the formation of a water-polymer jet, which is a function of the molecular weight of the polymer and its concentration in solution. The peculiarities of the influence of the main parameters of hydro- cutting by a water-polymer jet of food products on the rate of increment and the quality of the lateral surface of the section are revealed. The generalization of the experimental results obtained made it possible to establish a mechanism for hydro-jet water-polymer cutting of food products, consisting of the destructive action of the dynamic pressure of the water- polymer jet "reinforced" by strongly deployed macromolecular chains and dynamic supermolecular structures formed by the effect of the stretching flow in the inlet region of the nozzle of the jet head. The questions connected with the prospect of improving the process of hydro-jet water-polymer processing of food products by cutting by lowering the jet temperature below 0°C, as well as using the oscillating mode of its formation are considered. The reasons for the degradation of the properties of the water-polymer jet during its formation in the inlet region of the nozzle of the hydro-cutting jet head are studied. It is shown that it is necessary to take into account only the presence of a longitudinal velocity gradient when considering the problem of degradation of polymer solutions during their flow 13 through the elements of the hydro-cutting jet head. Based on the revealed physiochemical behavior of macromolecules under conditions of complex hydrodynamic fields, ways to solve are outlined with the negative effect of the degradation of polymer solutions on the effectiveness of hydro-jet water- polymer processing of food products by cutting. Scientifically substantiated principles of design and calculation of devices for hydro-jet water-polymer cutting of food products have been developed. Criteria are obtained that determine the conditions for the expedient use of polymer additives in water during hydro-jet cutting of food products. The influence of the effects of elastic deformations on the value of the “anomalously” high cutting capacity of a water-polymer jet for nozzles of a jet- forming head with different entrance angles is investigated. The calculation of the flow regimes of the water-polymer solution through the elements of the hydro-cutting jet-forming head is based on the use of the established criterion characterizing the onset of the onset of dynamic structure formation in water-polymer solutions during their flow through the nozzle of the hydro-cutting jet head. Consideration of the problem of the flow of a Newtonian liquid (water) in the input region of the nozzle of the jet- forming head and the numerical analysis of the flow of an elastically viscous liquid (polymer solution) through a nozzle made it possible to justify the method of calculating the longitudinal velocity gradient in the input region of the jet-forming element elements. The establishment of the nature of the increased cutting ability of the water-polymer jet has opened the possibility of practical application of this effect, in particular, in the development of the hydro-jet water-polymer processing of food products by cutting and equipment for its implementation. The formulated scientifically grounded principles of design calculations of equipment for hydro-jet water-polymer processing of food products and practical recommendations for improving the process of water-polymer 14 processing of food products allowed to develop a design and technical documentation on the machine MPWPJ-100 for processing water-polymer jet of food products. Possible other applications of the results of the thesis are suggested. In particular, the hydro-jet water-polymer separation of meat from the bone, the cutting of animal and bird bones, as well as the cleaning of contamination from the surfaces of food equipment and the technology of cleaning the waste hydraulic fluid from food residues with hydrodynamically activated polymeric flocculants. The practical importance of the work was confirmed by 4 patents of Ukraine, the 2 acts of implementing the results of work, the license agreement, as well as the results of the research and industrial approbation of the experienced sample MPWPJ-100, which confirmed the expediency and cost- effectiveness of using the process of water-polymer cutting of food products.