Інноваційні теплотехнології харчоконцентратних виробництв на основі системного моделювання та комбінованих процесів тепломасопереносу
Вантажиться...
Дата
2016
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
ОНАХТ
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. У дисертаційній роботі поставлена і вирішується задача підвищення енергоефективності при виробництві харчових концентратів, зниження втрат сировини і готового продукту, створення інноваційних зразків техніки в технологіях кавопродуктів і методів їх розрахунку.
Методами енергетичного менеджменту проведені системні дослідження і встановлені енергоємні об'єкти. Рішення задач в роботі проводилося за загальною схемою: «фізична і математична модель - експеримент - узагальнення та інженерна методика - створення експериментального зразка». Математичне моделювання ґрунтувалося на феноменологічному підході. Експериментальне моделювання проводилося із залученням методів теорії подібності.
Проблема утилізації теплоти і пилових викидів розпилювальної сушарки вирішена за допомогою двофазних термосифонів. Фізична і математична моделі обґрунтували концепцію інноваційного апарату – тепломассоутілізатора (ТМУ). Створена теорія тепломасопереносу паропилогазового потоку в трубних пучках. Доведено можливість роботи ТМУ в режимі «самоочищення» поверхні теплопередачі. Розроблено програму оптимізації ТМУ, виконаний комп'ютерний експеримент і обґрунтований типорозмірний ряд ТМУ для різних технологій АПК.
Проблема скорочення втрат екстрактивних речовин зі шламом вирішена за допомогою мікрохвильових (МВ) інтенсифікаторів. Виготовлений і пройшов апробацію в умовах виробництва експериментальний зразок МВ екстрактора. Розроблено їх типорозмірний ряд.
Проблема вилучення зі шламу олії кави вирішена за допомогою МВ екстрактора олії періодичної дії. Емпіричні моделі отримані на основі методу «аналізу розмірностей». Підготовка шламу до екстрагуванню проводилася на стрічкової ІЧ сушарці. Рекомендовані режими експлуатації сушарки та екстрактора олії кави.
Проблема переробки залишкової твердої фракції шламу вирішена в двох напрямках: теоретично обґрунтовані етапи активації шламу і представлені дослідження гранулювання шламу в паливні пелети.
Доведено економічну ефективність використання розроблених інноваційних зразків техніки і технологій на харчоконцентратних підприємствах галузі.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. В диссертационной работе поставлена и решается задача повышения энергоэффективности при производстве пищевых концентратов, снижения потерь сырья и готового продукта, создание инновационных образцов техники в технологиях кофепродуктов и методов расчета предложенных разработок. На первом этапе методами энергетического менеджмента проведены системные исследования и установлены объекты с неэффективным использованием энергетических ресурсов. Технологический и экологический аудит определили, что потери готового продукта с отработавшим теплоносителем распылительной сушилки составляют 4,5 т в год. Отходы из экстракционных батарей (кофейный шлам) создают серьезные экологические проблемы. Со шламом теряется до 15 % экстрактивных компонентов, комплекс веществ, которые имеют коммерческую ценность. Технологии переработки кофейного шлама в Украине не освоены. Решение проблемных задач в работе проводилось по общей схеме: «физическая схема – математическая модель – комплексные экспериментальные исследования – обобщение – инженерная методика – создание экспериментального образца». Математическое моделирование основывалось на феноменологическом подходе. Экспериментальное моделирование проводилось с привлечением методов теории подобия. Экспериментальные стенды основывались на оригинальных технических решениях, подключались к компьютеру, который регистрировал и обрабатывал теплофизическую информацию. Проблема утилизации теплоты и пылевых выбросов распылительной сушилки решена с помощью высокоэффективных теплопередающих элементов – двухфазных термосифонов (ТС). Физическая и математическая модели раскрыли комбинированные процессы в аппарате с ТС, и обосновали концепцию инновационного аппарата – тепломассоутилизатора (ТМУ). Модель формирования слоя пыли в межреберном пространстве ТС основана на гипотезе предельного равновесия массопереноса. Модель взаимодействия пыли и конденсата состоит из трех этапов: консолидации (адгезионные силы между пылью и ТС растут), релаксации (эти силы уменьшаются) и текучести (возникают условия для стекания раствора с ТС). Получены эмпирические модели, которые доказывают выдвинутые гипотезы и создана теория тепломассопереноса паропылегазового потока в трубных пучках. Доказана возможность работы ТМУ в режиме «самоочищения» поверхности теплопередачи. Разработана методика и программа оптимизации ТМУ, выполнен компьютерный эксперимент, установлено влияние конструктивных и режимных параметров и обоснован типоразмерный ряд ТМУ для разных технологий АПК. Проблема сокращения потерь экстрактивных веществ со шламом решена с помощью микроволновых (МВ) интенсификаторов, которые в капиллярах шлама инициируют мощный гидродинамический поток. Этот поток назван «бародиффузией». Теоретические и экспериментальные исследования обосновали инженерную методику оптимизации МВ экстракторов. Комплексные экспериментальные исследования установили влияния режимных и конструктивных параметров на кинетику извлечении целевых компонентов и на энергетику процесса экстрагирования. Разработан их типоразмерный ряд. Изготовлен и прошел апробацию в условиях производства экспериментальный образец МВ экстрактора. Проблема извлечения из шлама масла кофе решена с помощью МВ экстрактора масла периодического действия. Эмпирические модели получены на основе метода «анализа размерностей». Подготовка шлама к экстрагированию проводилась на ленточной ИК сушилке. Показано, что ИК генераторы являются эффективными средствами теплопередачи как основные, так и дополнительные регистры. Рекомендованы режимы эксплуатации сушилки и экстрактора масла кофе. Проблема переработки оставшейся твердой фракции шлама решена в двух направлениях. Во-первых, теоретически обоснованы этапы активации шлама и разрыва клеточной структуры. Во-вторых, представлены исследования гранулирования шлама в топливные пелеты и их характеристик. Новые результаты, полученные в виде критериальных моделей, использованы как базовые при создании алгоритмов и компьютерных программ расчета и оптимизации разработанных образцов инновационной техники. Итогом работы являются: теория тепломассопереноса паропылегазовых потоков в пучках термосифонов, развитие теории экстрагирования из растительного сырья в микроволновом поле, теоретические основы баротермической деструкции сырья в условиях микроволнового поля. Созданы, прошли стендовые и производственные испытания образцы инновационной техники: тепломассоутилизатор на термосифонах, микроволновой экстрактор кофе, ленточная сушилка с инфракрасными и микроволновыми источниками энергии, микроволновой экстрактор масла и линия по переработки кофейного шлама. Полученные на разработанном оборудовании образцы инновационной неэнергоемкой продукции: экстракты кофе, жидкий концентрат кофе, масло кофе (рафинированное и кофеоль) получили высокую оценку у дегустаторов. Доказана экономическая эффективность использования разработанных инновационных образцов техники и технологий на пищеконцентратных предприятиях отрасли. На 1кг переработанных зерен кофе внедрение тепломассоутилизатора дает прибыль 1,45 грн., микроволновой предъэкстрактор – 5,3 грн., производство топливных пеллет из шлама кофе – 1,5 грн. Наибольший эффект дает экстрактор масла кофе из шлама - 60 грн. Суммарный эффект на 1кг зерен (в зависимости от количества реализованных проектов) от 1,5 до 71 грн. Срок окупаемости проектов в пределах года. По пищеконцентратной отрасли Украины эффект за год составляет от 2,3 млн. грн. до 112,2 млн. грн.
The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences, specialty 05.18.04 - Technology of meat, dairy products and products of aquatic organisms. The thesis paper is devoted to the development of the technology of paste-like protein products for the nutrition of children of 8 months and upwards - protein pastes which are partially adapted to the milk of women and have probiotic and hypoallergenic properties and a long shelf life using lactobacteria and bifidobacteria bacterial concentrates of direct application and the complexes of physiologically functional food ingredients. The advisability of the thermal-acid coagulation of skimmed milk proteins and thermostatic production method for the protein pastes technology were justified. The rational mass fractions of vegetable oils (pumpkin seed oil and high oleic sunflower oil), fructose, lactulose, vitamins and minerals in the baby-food protein pastes were experimentally proved and scientifically grounded. The starter composition components with B. animalis Bb-12 monocultures, L acidophilus La-5 monocultures and L. I act is ssp. mixed cultures were grounded for the production of the baby-food protein pastes with high probiotic, hypoallergenic and antagonistic properties, moderate acidity and extended storage period; the ratio of cultures in the starter composition is recommended being 1,0 : 0,1 : 1,0 respectively. The technological parameters of the baby-food protein pastes production were experimentally defined and optimized. Production formulas, normative documents and the innovative baby-food protein pastes technology were developed; the product’s commercial approval was done. The economic impact of the developed technology advancement was ascertained, and the biomedical research of the product was fulfilled.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. В диссертационной работе поставлена и решается задача повышения энергоэффективности при производстве пищевых концентратов, снижения потерь сырья и готового продукта, создание инновационных образцов техники в технологиях кофепродуктов и методов расчета предложенных разработок. На первом этапе методами энергетического менеджмента проведены системные исследования и установлены объекты с неэффективным использованием энергетических ресурсов. Технологический и экологический аудит определили, что потери готового продукта с отработавшим теплоносителем распылительной сушилки составляют 4,5 т в год. Отходы из экстракционных батарей (кофейный шлам) создают серьезные экологические проблемы. Со шламом теряется до 15 % экстрактивных компонентов, комплекс веществ, которые имеют коммерческую ценность. Технологии переработки кофейного шлама в Украине не освоены. Решение проблемных задач в работе проводилось по общей схеме: «физическая схема – математическая модель – комплексные экспериментальные исследования – обобщение – инженерная методика – создание экспериментального образца». Математическое моделирование основывалось на феноменологическом подходе. Экспериментальное моделирование проводилось с привлечением методов теории подобия. Экспериментальные стенды основывались на оригинальных технических решениях, подключались к компьютеру, который регистрировал и обрабатывал теплофизическую информацию. Проблема утилизации теплоты и пылевых выбросов распылительной сушилки решена с помощью высокоэффективных теплопередающих элементов – двухфазных термосифонов (ТС). Физическая и математическая модели раскрыли комбинированные процессы в аппарате с ТС, и обосновали концепцию инновационного аппарата – тепломассоутилизатора (ТМУ). Модель формирования слоя пыли в межреберном пространстве ТС основана на гипотезе предельного равновесия массопереноса. Модель взаимодействия пыли и конденсата состоит из трех этапов: консолидации (адгезионные силы между пылью и ТС растут), релаксации (эти силы уменьшаются) и текучести (возникают условия для стекания раствора с ТС). Получены эмпирические модели, которые доказывают выдвинутые гипотезы и создана теория тепломассопереноса паропылегазового потока в трубных пучках. Доказана возможность работы ТМУ в режиме «самоочищения» поверхности теплопередачи. Разработана методика и программа оптимизации ТМУ, выполнен компьютерный эксперимент, установлено влияние конструктивных и режимных параметров и обоснован типоразмерный ряд ТМУ для разных технологий АПК. Проблема сокращения потерь экстрактивных веществ со шламом решена с помощью микроволновых (МВ) интенсификаторов, которые в капиллярах шлама инициируют мощный гидродинамический поток. Этот поток назван «бародиффузией». Теоретические и экспериментальные исследования обосновали инженерную методику оптимизации МВ экстракторов. Комплексные экспериментальные исследования установили влияния режимных и конструктивных параметров на кинетику извлечении целевых компонентов и на энергетику процесса экстрагирования. Разработан их типоразмерный ряд. Изготовлен и прошел апробацию в условиях производства экспериментальный образец МВ экстрактора. Проблема извлечения из шлама масла кофе решена с помощью МВ экстрактора масла периодического действия. Эмпирические модели получены на основе метода «анализа размерностей». Подготовка шлама к экстрагированию проводилась на ленточной ИК сушилке. Показано, что ИК генераторы являются эффективными средствами теплопередачи как основные, так и дополнительные регистры. Рекомендованы режимы эксплуатации сушилки и экстрактора масла кофе. Проблема переработки оставшейся твердой фракции шлама решена в двух направлениях. Во-первых, теоретически обоснованы этапы активации шлама и разрыва клеточной структуры. Во-вторых, представлены исследования гранулирования шлама в топливные пелеты и их характеристик. Новые результаты, полученные в виде критериальных моделей, использованы как базовые при создании алгоритмов и компьютерных программ расчета и оптимизации разработанных образцов инновационной техники. Итогом работы являются: теория тепломассопереноса паропылегазовых потоков в пучках термосифонов, развитие теории экстрагирования из растительного сырья в микроволновом поле, теоретические основы баротермической деструкции сырья в условиях микроволнового поля. Созданы, прошли стендовые и производственные испытания образцы инновационной техники: тепломассоутилизатор на термосифонах, микроволновой экстрактор кофе, ленточная сушилка с инфракрасными и микроволновыми источниками энергии, микроволновой экстрактор масла и линия по переработки кофейного шлама. Полученные на разработанном оборудовании образцы инновационной неэнергоемкой продукции: экстракты кофе, жидкий концентрат кофе, масло кофе (рафинированное и кофеоль) получили высокую оценку у дегустаторов. Доказана экономическая эффективность использования разработанных инновационных образцов техники и технологий на пищеконцентратных предприятиях отрасли. На 1кг переработанных зерен кофе внедрение тепломассоутилизатора дает прибыль 1,45 грн., микроволновой предъэкстрактор – 5,3 грн., производство топливных пеллет из шлама кофе – 1,5 грн. Наибольший эффект дает экстрактор масла кофе из шлама - 60 грн. Суммарный эффект на 1кг зерен (в зависимости от количества реализованных проектов) от 1,5 до 71 грн. Срок окупаемости проектов в пределах года. По пищеконцентратной отрасли Украины эффект за год составляет от 2,3 млн. грн. до 112,2 млн. грн.
The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences, specialty 05.18.04 - Technology of meat, dairy products and products of aquatic organisms. The thesis paper is devoted to the development of the technology of paste-like protein products for the nutrition of children of 8 months and upwards - protein pastes which are partially adapted to the milk of women and have probiotic and hypoallergenic properties and a long shelf life using lactobacteria and bifidobacteria bacterial concentrates of direct application and the complexes of physiologically functional food ingredients. The advisability of the thermal-acid coagulation of skimmed milk proteins and thermostatic production method for the protein pastes technology were justified. The rational mass fractions of vegetable oils (pumpkin seed oil and high oleic sunflower oil), fructose, lactulose, vitamins and minerals in the baby-food protein pastes were experimentally proved and scientifically grounded. The starter composition components with B. animalis Bb-12 monocultures, L acidophilus La-5 monocultures and L. I act is ssp. mixed cultures were grounded for the production of the baby-food protein pastes with high probiotic, hypoallergenic and antagonistic properties, moderate acidity and extended storage period; the ratio of cultures in the starter composition is recommended being 1,0 : 0,1 : 1,0 respectively. The technological parameters of the baby-food protein pastes production were experimentally defined and optimized. Production formulas, normative documents and the innovative baby-food protein pastes technology were developed; the product’s commercial approval was done. The economic impact of the developed technology advancement was ascertained, and the biomedical research of the product was fulfilled.
Опис
Терзієв, С. Г. Іноваційні теплотехнології харчоконцентратних виробництв на основі системного моделювання та комбінованих процесів тепломасопереносу [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : спец. 05.18.12 "Процеси і обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв" / Терзієв Сергій Георгійович ; наук. консультант О. Г. Бурдо ; Одес. нац. акад. харч. технологій. - Одеса : ОНАХТ, 2016. - 45 с.
Ключові слова
харчові концентрати, кавопродукти, теплотехнології, термосифони, моделювання, утилізація, сушіння, екстрагування, кавова олія, енергетичний і екологічний аудит, пищевые концентраты, кофепродукты, теплотехнологии, термосифоны, моделирование, утилизация, сушка, экстрагирование, кофейное масло, энергетический и экологический аудит