Введение к работе
Актуальность работы. Квас – это традиционный русский напиток. Содержание в нем полезных веществ значительно, в то время как у многих конкурентов кваса присутствуют красители и прочие добавки.
Важной проблемой реализации кваса не только в домашнем регионе, но и при доставке на дальние расстояния, является малый срок годности продукта. В свете того, что потребление кваса в России на протяжении ряда последних лет характеризуется устойчивой тенденцией к росту и того факта, что большинство потребителей предпочитают покупать квас в пластиковых бутылках, решение этой проблемы является весьма актуальным.
Для увеличения срока биологической стойкости, в настоящее время, используют такой экономически неэффективный, высоко затратный процесс, как пастеризация, что при нынешних тенденциях развития энергосберегающих технологий не является рациональным. При этом уничтожаются, как минимум, все витамины, содержащиеся в квасе (B1, B2, РР, D) и нередко такой квас обладает невысокими органолептическими качествами.
Одной из причин ограниченного срока хранения кваса является незавершенное брожение и наличие в бутилированном напитке, в том числе в квасе в кегах, дрожжей и молочнокислых бактерий. Известно, что квасные дрожжи имеют минимальный размер 6 мкм (9-116-8 мкм), а молочнокислые бактерии расы 11 имеют минимальный размер 0,5 мкм (1,2-2,10,5-0,6 мкм).
В настоящее время все большую актуальность приобретают технологии мембранной фильтрации пищевых продуктов, исследования которых в последние годы ведутся в нашей стране и за рубежом. Следует отметить работы ученых Ю.И. Дытнерского, Б.Н. Федоренко, В.М. Старова, Л.С. Лукавого, В.А. Лялина, М.Т. Брыка, С.Ф. Тимашева, А.Ш. Шаяхметова, В.М. Абарышева, А.Н. Черкасова, А.А. Свитцова, В.Д. Волгина, а также Т. Брока, М. Мак-Кечни, С. Хоффмана, В. Кунце, Р. Шленкера. Применение такого процесса, как мембранная фильтрация, позволит устранить нежелательные для биологической стойкости компоненты без термической обработки. При этом все остальные компоненты, содержащиеся в квасе и формирующие его вкусовые и питательные качества, остаются в полной мере.
Использование с целью удаления из кваса дрожжей и молочнокислых бактерий методом тангенциально – поточного фильтрования обеспечивает значительные преимущества перед традиционными методами, что позволяет выйти на новый уровень производства.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является определение наиболее рациональных энерго – и ресурсосберегающих параметров процесса мембранного разделения и аппаратов, позволяющих снизить явление концентрационной поляризации и способных обеспечить эффективное осветление кваса с целью увеличения срока биологической стойкости. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– исследование основных свойств кваса;
– исследование процесса мембранного разделения кваса;
– разработка и анализ математической модели процесса мембранного разделения суспензии кваса;
– разработка и создание экспериментальной установки для мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме;
– оценка экономической эффективности и целесообразности внедрения предлагаемой экспериментальной установки;
– разработка инновационных способов и оборудования для мембранного осветления кваса.
Научная новизна. Изучены реологические характеристики квасных суспензий при различных концентрациях, температурах и градиентах скорости сдвига, на основании которых был сделан вывод об их принадлежности к неньютоновским псевдопластичным материалам, течение которых описывается законом Оствальда де Виля.
Получены обобщенные реологические уравнения квасных суспензий при различных концентрациях, которые обладают инвариантностью и учитывают концентрацию молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также температуру суспензии.
По результатам исследований кинетических и гидродинамических закономерностей процесса микрофильтрационного разделения кваса, научно обоснован выбор мембранного фильтра с размером пор 0,4 мкм, при котором происходит полное удаление молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток, а также определены параметры процесса: Рраб=0,115 МПа, Jср=0,005 м3/(м2ч), =100 %.
Разработана математическая модель процесса образования слоя осадка на внутренней поверхности трубчатой мембраны, позволяющая рассчитать величину динамической вязкости движущейся внутри канала трубчатой мембраны суспензии, сопротивление гелеподобного слоя, а также величину концентрационной поляризации в каждый момент времени.
Определены физико-химические свойства осветленного кваса, из чего следует, что полученный пищевой продукт не только соответствует требованиям ГОСТ Р 53094-2008, но и обладает присущими ему традиционными органолептическими показателями.
Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления кваса (патенты РФ 2367507, 2372974, 2462298).
Практическая значимость работы. На основании лабораторных и производственных испытаний, показана целесообразность применения мембранного аппарата с трубчатыми керамическими мембранными элементами, новизна которого подтверждена патентом РФ на полезную модель 122306.
Разработаны конструкции мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации для эффективного осветления кваса.
Благодаря разработанной математической модели становится возможным более эффективное проведение процесса микрофильтрации кваса за счет полученных уравнений, позволяющих рассчитывать выходные параметры, а также такие характеристики процесса, как величина динамической вязкости, движущейся внутри мембраны суспензии, сопротивление гелеподобного слоя, а также величина концентрационной поляризации, в каждый момент времени.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ 2367507, 2372974, 2379097.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2010 по 2013 гг.); Conference with international participation «Integrated systems for agrifood production» (Sibiu, Romania, 2013); Международной научно-практической конференции «Современное общество, образование и наука» (Тамбов, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2011 г.); Региональной научной конференции «Развитие техники пищевых производств малых предприятий» (Воронеж, 2011 г.); Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок» (Воронеж, 2011 г.); отмечены дипломами межрегиональных выставок «Инженерные технологии XXI века» (Воронеж, 15 ноября 2011 г.), «III Воронежский агропромышленный форум» (Воронеж, 1 –3 ноября, 2011 г.), «V Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 21 –22 марта, 2012 г.).
Результаты работы легли в основу инновационного проекта «Разработка установки и исследование процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме», реализуемого ВГУИТ по государственному контракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 8746р/14016 от 14 января 2011 г. по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентов РФ и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 211 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает 145 наименований. Приложения к диссертации представлены на 22 страницах.
Похожие диссертации на Научное обоснование и разработка процесса мембранного разделения кваса с целью увеличения срока биологической стойкости
