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

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-прикладної проблеми харчової промисловості України, яка полягає в недостатній техніко-технологічній ефективності виробництва питного молока та молочних продуктів, що в значній мірі обумовлена низькою ефективністю технологічних процесів їх промислового виробництва, а також вирішенню науково-технічної проблеми, яка полягає в недостатньому розвитку науково-теоретичних основ гідродинамічного диспергування жирової фази молока. Наукова гіпотеза роботи міститься у розвитку теорії гідродинамічного диспергування молочної емульсії, що ґрунтується на створенні відносної швидкості дисперсної та дисперсійної фаз та зв'язку цього чинника з прискоренням руху потоку емульсії. Оптимізація процесу диспергування з метою підвищення прискорення потоку та (або) відносної швидкості фаз емульсії дозволить підвищити енергоефективність гомогенізаторів молока. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показаний її зв'язок з науковими темами ТДАТУ, сформульовано наукову гіпотезу, мету, задачі, об'єкт і предмет дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про їх практичне впровадження, публікації і особистий внесок здобувача, а також заходи щодо апробації матеріалів дисертаційної роботи. У першому розділі здійснено аналіз гіпотез, механізмів, переважних гідродинамічних факторів диспергування жирової фази молочної емульсії, гідродинамічних умов руйнування жирових кульок молока в сучасних конструкціях диспергаторів і методів розрахунку обладнання для гомогенізації мікроемульсій. Відмічена висока варіативність конструкцій гомогенізаторів і існування значної кількості гіпотез диспергування молочної емульсії, які суперечать одна одній. З'ясовано, що, незважаючи на суттєві відмінності, спільними для конструкцій, які дозволяють отримати високий ступінь диспергування, є створення гідродинамічних умов, які сприяють підвищенню відносної швидкості руху жирової кульки та прискоренню потоку емульсії. Шляхом аналізу способів інтенсифікації процесу диспергування молочних емульсій виділено перспективні напрями для підвищення енергоефективності гомогенізаторів та конструкцій з найбільшим потенціалом зниження енерговитрат: пульсаційний апарат з ротором, що вібрує (ПА з ВР), струминний гомогенізатор з роздільною подачею жирової фази (СГРЖФ) і пульсаційний поршньовий гомогенізатор (ППГ), дослідження яких раніше не проводились. У другому розділі розроблено структуру, програму, методику планування та проведення досліджень і обробки їх результатів. Обґрунтована структурно-логічна схема етапів досліджень для досягнення поставленої мети дисертаційної роботи, яка включає аналітичні дослідження впливу гідродинамічних умов диспергування молочної емульсії на її дисперсні показники, розробку аналітичних моделей диспергування, експериментальну перевірку адекватності та уточнення отриманих моделей диспергування, створення промислових зразків гомогенізаторів і їх виробничу перевірку. Наведений опис розроблених експериментальних установок для дослідження ПА з ВР, СГРЖФ і ППГ. Дисперсні показники молочної емульсії визначали комп'ютерним аналізом мікрофотографій проб молока, отриманих за допомогою оптичного мікроскопа та цифрової камери. Обробляли результати у програмному забезпеченні Microsoft Visual Studio із застосуванням бібліотек OpenCV Sharp. При вирішенні оптимізаційних задач критеріями оптимізації обрано отримання необхідної дисперсності молочної емульсії при мінімальних енерговитратах. У третьому розділі на основі критеріальної умови руйнування жирової кульки Вебера обґрунтовані математичні залежності для визначення середнього діаметра часток дисперсної фази молочної емульсії. Розроблена математична модель гідродинамічного диспергування молочного жиру за рахунок відносних швидкостей руху дисперсної та дисперсійної фаз молочної емульсії в струминному гомогенізаторі молока з роздільною подачею жирової фази, яка пов'язує конструктивно-технологічні та гідравлічні показники гомогенізатора з критерієм Вебера і дисперсністю жирової емульсії. Введено показник струминної гомогенізації, який визначає дисперсність молочної емульсії в залежності від швидкості струменя, діаметра каналу і жирності вершків. Здійснено аналіз процесу СГРЖФ в програмному комплексі кінцево-елементного аналізу ANSYS, який дозволив визначити гідродинамічні показники та розрахувати координати зони подачі вершків, що дозволяють підвищити ефективність диспергування. У четвертому розділі представлені етапи розробки математичної моделі гідродинамічного диспергування молочного жиру під впливом прискорення руху молочної емульсії в умовах багатократної обробки і резонансних явищ. Теоретичним шляхом отримано залежності, що пов'язують прискорення руху молочної емульсії, швидкість ковзання жирової кульки (її швидкість відносно оточуючої плазми), середній діаметр жирової кульки після гідродинамічного диспергування та критерій Вебера. Відмічено, що прискорення руху емульсії – це параметр, який здатен стати універсальним – об'єднуючим фактором руйнування жирових часток емульсій для більшості типів гомогенізаторів. Введено показник – "коефіцієнт гомогенізації", що пов'язує прискорення руху емульсії з середнім діаметром жирової частки молочної емульсії, який характеризує фізико-механічні властивості дисперсної фази емульсії та дозволяє прогнозувати ефективність гомогенізаторів молока. Побудована математична модель диспергування жирової фази коров'ячого молока у пульсаційному гомогенізаторі з одним поршнем та пульсаційному апараті з ротором, що вібрує. Одержано аналітичний взаємозв'язок між кратністю обробки та конструктивно-кінематичними показниками ППГ і зпрогнозовано їх вплив на енерговитрати та ступінь диспергування молочного жиру. Наведені етапи розробки безперервної математичної функції процесу зміни площі прохідного перерізу переривника роторно-пульсаційного апарата, що дозволяє значно спростити подальший математичний опис процесу руху рідини у переривнику ПА з ВР. На цій основі розроблена математична модель гідродинамічного диспергування жирової фази молочної емульсії в ПА з ВР для енергоефективних – резонансних режимів роботи. У п’ятому розділі отримані математичні залежності для розрахунку споживаної потужності та питомих енерговитрат і проведена оптимізація конструктивно-технологічних показників дослідних гомогенізаторів. У результаті аналітичних досліджень знайдені математичні залежності для визначення потужності, продуктивності та питомих енерговитрат струминного гомогенізатора з роздільною подачею жирової фази, поршньового пульсаційного апарата та пульсаційного апарата з ротором, що вібрує. Аналітично визначені раціональні конструктивно-технологічні та гідравлічні показники ПА з ВР, СГРЖФ і ППГ для досягнення високого ступеня дисперсності молочної емульсії за мінімальних питомих енерговитрат. У шостому розділі проведена експериментальна перевірка та уточнення отриманих аналітично математичних моделей диспергування молочної емульсії в дослідних гомогенізаторах. Проведені експериментальні дослідження, які свідчать про визначальну роль швидкості обтікання жирової кульки плазмою молока в процесі диспергування молочного жиру в СГРЖФ за критерієм Вебера. Отримані експериментальні дані коефіцієнта струминної гомогенізації, які дали змогу встановити раціональні параметри процесу СГРЖФ і визначити значення критерія Вебера для гомогенізації молока. Проведені дослідження ППГ та ПА з ВР довели аналітичну модель диспергування жирової фази молока в пульсаційних гомогенізаторах. Експериментально визначені значення коефіцієнтів гомогенізації для СГРЖФ, ППГ і ПА з ВР. Відмічене значне підвищення ефективності гомогенізації при створенні умов для резонансних явищ в ПА з ВР. Наведені результати досліджень з визначення необхідної кратності проходження емульсії крізь отвори поршня ППГ. Представлено порівняння аналітичних і експериментальних даних визначення потужності СГРЖФ, ППГ і ПА з ВР і внесено необхідні уточнення у математичні залежності. Проведено оптимізацію конструктивно-кінематичних і технологічних показників СГРЖФ, ППГ і ПА з ВР з метою зниження енерговитрат при досягненні необхідного ступеня диспергування молочної емульсії. У сьомому розділі наведені методики розрахунку конструкційно-технологічних і енергетичних параметрів роботи СГРЖФ, ППГ і ПА з ВР. Представлено синтез перспективних конструктивних рішень гідродинамічних диспергаторів. Розроблені промислові зразки СГРЖФ, ППГ і ПА з ВР, які дозволяють отримати молочну емульсію з середнім діаметром жирових кульок 0,8 мкм і мають в 4,9–6,7 рази менші питомі енерговитрати, ніж промислово освоєні гомогенізатори молока. Наукова новизна одержаних результатів. Вперше: – розроблено теорію гідродинамічного диспергування молочної емульсії, яка ґрунтується на кореляції прискорення руху потоку емульсії з її відносною швидкістю дисперсної та дисперсійної фаз і критерієм Вебера; – науково обґрунтовано та запропоновано використання показника «коефіцієнт гомогенізації», який пов’язує прискорення руху емульсії з середнім діаметром жирової частки молочної емульсії і характеризує додаткові гідродинамічні умови процесу диспергування жирової фази молочної емульсії; – розроблено безперервну математичну функцію для опису процесу зміни площі прохідного перерізу модулятора роторно-пульсаційного апарата (РПА) для умов застосування отворів круглої форми та рівності кількості отворів ротора і статора, що дозволило розробити математичну модель руху рідини у модуляторі пульсаційного апарата з ротором, що вібрує (ПА з ВР); – визначені умови виникнення бажаних резонансних явищ пульсацій емульсії в модуляторі ПА з ВР, викликаних відцентровим тиском при обертанні та осьовими коливаннями ротора, які призводять до підвищення ефективності диспергування молочної емульсії; – розроблено математичну модель гомогенізації молока в ПА з ВР, яка пов’язує основні технологічні, конструктивні, кінематичні та енергетичні показники ПА з ВР з дисперсністю жирової емульсії при забезпеченні умов резонансних явищ; – науково обґрунтовано та запропоновано використання показника «коефіцієнт диспергування» для умов подачі жирової фази молочної емульсії у потік знежиреного молока, визначення якого дозволило встановити критичне значення критерія Вебера для руйнування жирової кульки молока в потоці молочної плазми; – розроблено математичну модель диспергування жирової фази молока в струминному гомогенізаторі з роздільним подаванням жирової фази (СГРЖФ) з одночасною нормалізацією молока за жирністю. Удосконалено: – математичну модель диспергування молочної емульсії в ППГ шляхом врахування кратності проходження емульсії крізь отвори поршня та впливу цього параметру на дисперсні та енергетичні показники диспергування; – теорію гідродинамічного диспергування струминних гомогенізаторів при подачі струменя вершків у потік знежиреного молока врахуванням впливу жирності вершків, діаметра канала подачі та швидкості струменя вершків. Набули подальшого розвитку: – уявлення про закономірності диспергування жирової фази молока в умовах руху молочної емульсії з прискоренням; – математична модель диспергування жирової фази молока при пульсаційній гомогенізації за рахунок аналітично визначеного та експериментально перевіреного на адекватність зв’язку між технологічними, конструктивними, кінематичними та енергетичними показниками пульсаційного поршньового гомогенізатора (ППГ) з дисперсністю жирової емульсії.

Dissertation is devoted to solving important theoretical and applied issue of food industry of Ukraine. Its problem is insufficient technical and manufacturing efficiency of drinkable milk and dairies production. It is largely conditioned by low efficiency of technological processes of their industrial production. The work is also devoted to solving scientific and technical issue which lies in insufficient development of scientific and theoretical bases of the hydrodynamic dispergating of the milk fat phase. The scientific hypothesis of the work is contained in developing of theory of hydrodynamic dispergating of milk emulsion which is grounded on creation of relative velocity of dispersed and continuous phases and connection of this factor with the acceleration of emulsion stream movement. Process optimization of dispergating is aimed at increasing acceleration of the stream and (or) relative velocity of the emulsion phases. It allows increasing energy efficiency of milk homogenizers. The introduction conveys grounding of the topic urgency of the dissertation work, its connection with the scientific topics of TSATU. The scientific hypothesis, aim, tasks, subject of inquiry and subject of investigation were formulated. The scientific novelty and practical value of the received results were determined. It contains information about their practical introduction, publications and personal contribution of the seeker, and also the measures in relation to approbating materials of the dissertation work. The first part contains the analysis of hypotheses, mechanisms, prevailing hydrodynamic factors of dispergating of the fat phase of milk emulsion, hydrodynamic conditions of disruption of fat globules of milk in the modern designs of dispergators and methods of analysis of the equipment for homogenization of micro emulsions. It points out a wide range of designs of homogenizers and a large number of existing hypotheses of milk emulsion dispergating that contradict each other. Despite substantial differences, the general features of designs which allow receiving a high degree of dispergating is to create hydrodynamic conditions to provide increasing relative velocity of movement of the fat globule and acceleration of the emulsion stream. Analysis of methods of intensifying the process of dispergating of milk emulsions resulted into distinguishing prospective ways to increase energy efficiency of homogenizers and designs with the biggest potential for diminishing energy consumption: pulsation machine with a vibrating rotor (PM with VR), stream homogenizer with a separate supply of the fat phase (SHSSFP) and pulsation reciprocating homogenizer (PRH) that were not researched before. A structure, program, methodology of planning and realization of researches and processing of their results are worked out in the second part. A reasonable structurally-logical chart of the stages of researches for achieving set aim of dissertation work had been grounded. It includes analytical researches over the influence of hydrodynamic conditions of dispergating of milk emulsion on its dispersible indexes, development of analytical models of dispergating, experimental verification of adequacy and clarification of the received models of dispergating, designing industrial prototypes of homogenizers and their productive verification. It contains description of the designed experimental devices for researching PM with VR, SHSSFP and PRH. The dispersible indexes of milk emulsion were determined by the computer analysis of photomicrographs of milk samples, got by means of the optical microscope and digital camera. The results had been processed in Microsoft Visual Studio software, using the libraries of OpenCV Sharp. In order to solve optimization tasks the criteria of optimization had been chosen for receiving required dispersion of milk emulsion at minimal energy consumption. Mathematical dependences for determining average diameter of the particles of dispersed phase of milk emulsion are grounded on the basis of criterion condition of disruption of the fat globule of Weber in the third part. Mathematical model of the hydrodynamic dispergating of milk fat due to the relative velocities of movement of dispersed and continuous phases of milk emulsion in the stream homogenizer with a separate feed of the fat phase had been worked out. It binds design-technological and hydraulic indexes of the homogenizer to Weber criterion and dispersibility of fat emulsion. The index of stream homogenization had been introduced. It determines dispersion of milk emulsion depending on the stream velocity, diameter of the channel and fat content of creams. The analysis of process in SHSSFP was carried out in the program complex of finite-element analysis ANSYS, which allowed defining hydrodynamic indexes and determining the coordinates of the area of creams supply. It allows increasing efficiency of dispergating. The fourth part presents the stages of developing mathematical model of the hydrodynamic dispergating of milk fat under the influence of acceleration of movement of milk emulsion under the conditions of multiple processing and resonance phenomena. The dependences are received theoretically 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 cow 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. It allows considerable simplifying further mathematical description of the process of movement of liquid in the interrupter of PM with VR. 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. Mathematical dependences for estimating power consumption and specific energy consumption are received, and optimization of design and technological features of the researched homogenizers is carried out in the fifth part. As a result of analytical researches the mathematical dependences are found for determining capacity, productivity and specific energy consumption of the stream homogenizer with a separate supply of fat phase, reciprocating pulsation machine and pulsation machine with a vibrating rotor. The rational design and technological and hydraulic values of PM with VR, SHSSFP and PRH had been analytically determined for achieving high degree of dispersion of milk emulsion at minimal specific energy consumption. The sixth part deals with experimental verification and clarification of the analytically received mathematical models of dispergating of milk emulsion in the researched homogenizers. 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 part conveys results of the study on estimating required multiplicity of emulsion passing through the piston holes of PRH. It also contains comparison of analytical and experimental data of estimating capacity of SHSSFP, PRH and PM with VR and necessary clarifications are brought to the mathematical dependences. Optimization of design and 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. The seventh part contains design procedures of design and 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. Scientific novelty of the results received. For the first time: – the theory had been developed on hydrodynamic dispergating of milk emulsion which is based on correlation of acceleration of emulsion stream with its relative velocity of the continuous and dispersed phases and Weber criterion; – the index «coefficient of homogenization» was introduced and scientifically grounded, which binds the acceleration of the emulsion movement to the average diameter of fat particle of milk emulsion and characterizes additional hydrodynamic conditions of the dispergating process of milk emulsion fat phase; – the continuous mathematical function had been developed for describing the process of area variation of the flow area of the modulator of RPM for the conditions of using openings of a round shape and equal number of openings of the rotor and stator, that allowed developing mathematical model of liquid movement in the modulator of PM with VR; – the conditions are determined for causing desired resonance phenomena of emulsion pulsations in the modulator of PM with VR, which are caused by centrifugal pressure at rotation and axial vibrations of the rotor, that result in increasing dispergating efficiency of milk emulsion; – the mathematical model of milk homogenization in PM with VR had been developed, which links the basic technological, design, kinematic and power indexes of PM with VR with the dispersibility of fat emulsion under conditions resonance phenomena; - the usage of the index «coefficient of dispergating» had been suggested and scientifically grounded for the conditions of supply of milk emulsion fat phase into the stream of skim milk, its determining allowed specifying critical value of Weber criterion for disrupting milk fat globule in the milk plasma stream; – the mathematical model of dispergating of fat phase of milk had been developed for SHSSFP with simultaneous normalization of milk on fat content. The following was improved: – the mathematical model of milk emulsion dispergating in PRH via taking into consideration multiplicity of passing of emulsion through the piston holes and influence of this parameter on the dispersible and power indexes of dispergating; – the theory of hydrodynamic dispergating of stream homogenizers at the supply of stream of creams into the stream of skim milk due to influence of fat content of the creams, diameter of the supply channel and velocity of the stream of creams. The stated bellow gained further development: - the concept of behavior of milk fat phase dispergating under conditions of movement of milk emulsion with acceleration; – the mathematical model of dispergating of fat phase of milk during pulsation homogenization due to analytically determined and experimentally verified for adequate connection between the technological, design, kinematic and power indexes of PRH with the dispersibility of fat emulsion. The practical value of the got results consists in determining optimal technological, design and kinematic parameters of SHSSFP, PRH and PM with VR and development of industrial prototypes of SHSSFP, PRH and PM with VR in order to get milk emulsion with the average size of fat globules of 0.8 µm and specific energy consumption 4.9–6.7 times lesser than specific energy consumption of valve homogenizers. Technical documentation had been worked out on manufacturing and implementation into practice had been carried out for SHSSFP, PRH and PM with VR, an economic gain from which represents 265740-362945 hrn/year.