Введение к работе
Актуальность работы. Для полноценной здоровой жизнедеятельности жителям Кемеровской области необходимо сбалансированное питание, насыщенное необходимым количеством белков, жиров, углеводов, витаминов, макро- и микроэлементов. На предприятиях молочной промышленности Кемеровской области вторичные продукты пищевого производства, в частности молочная сыворотка, которая очень полезна для человека, используется не в полном объеме. Для повышения эффективности её использования целесообразно применять мембранные методы.
Переработка сыворотки с помощью мембранных процессов, в отличие от широко применяемых методов, производится без фазовых превращений. Молочный белок в процессе концентрирования творожной сыворотки не подвергается структурным изменениям и сохраняется в нативном виде, в отличие от белковых концентратов, полученных традиционными методами.
К основным недостаткам мембранных методов относится концентрационная поляризация. В типовых аппаратах с этим явлением активно борются. Однако это не всегда достаточно эффективно и требует дополнительных энергозатрат.
Перспективными конструкциями, являются аппараты, использующие это явление. Анализ показывает, что их можно разделить на три группы: аппараты, использующие отвод диффузионного пограничного слоя; отвод с периодической очисткой мембраны; отвод с постоянной очисткой мембраны. В аппаратах первой группы с течением времени образуется неподвижный осадок, который приводит к уменьшению проницаемости, недостатком второй группы является увеличение вспомогательного времени процесса и уменьшения основного. Все это приводит к снижению производительности. Наиболее перспективными являются аппараты третьей группы, в которых поддерживается достаточно высокая производительность в течение длительного времени. В этой связи актуальным является разработка оборудования, позволяющего совместить процессы отвода диффузионного слоя и очистку от неподвижного слоя, находящегося на мембране.
Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке мембранного аппарата для переработки вторичных молочных продуктов, позволяющего осуществлять одновременный отвод диффузионного пограничного слоя и очистку мембраны за счет турбулизации потока для интенсификации процесса.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
разработка конструкции мембранного аппарата, позволяющей проводить отвод диффузионного слоя и очистку мембраны одновременно;
разработка математической модели процесса мембранного концентрирования на основе теории массового обслуживания;
изучение влияния технологических параметров процесса на концентрацию отводимого диффузионного слоя и проницаемость мембраны, с целью определения их рациональных значений при переработке творожной сыворотки;
изучение влияния конструктивных параметров турбулизирующей вставки аппарата предлагаемой конструкции на проницаемость мембраны, с целью определения их рациональных значений при переработке творожной сыворотки;
Определение оптимального режима отвода диффузионного пограничного слоя и очистки мембраны.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса мембранного концентрирования на основе теории массового обслуживания, которая позволяет определять концентрацию сухих веществ в концентрате и фильтрате в произвольный момент времени.
Получены уравнения регрессии процесса мембранного концентрирования творожной сыворотки, учитывающие влияние значений технологических параметров процесса на массовое содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое и проницаемость мембраны. В результате обработки найдены их рациональные значения.
Изучено влияние конструктивных параметров турбулизирующей вставки мембранного аппарата предлагаемой конструкции на проницаемость мембраны и на концентрацию отводимого диффузионного слоя при переработке творожной сыворотки. Определены их рациональные значения.
По результатам экспериментальных исследований установлено оптимальное соотношение продолжительности отвода диффузионного слоя и очистки мембраны.
Практическая значимость и реализация. Разработана конструкция мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя, техническая новизна которого защищена патентом на изобретение РФ.
Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата, проведенные на ООО МПО «Скоморошка», которые показали эффективность ее работы.
Предложены технологии производства нежирного сыра «Антей» и нежирного творога «Антей» с использованием белкового концентрата творожной сыворотки, полученного на разработанном мембранном аппарате.
Автор защищает новую конструкцию мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя, совмещенную с очисткой мембраны. Математическую модель процесса мембранного концентрирования. Результаты экспериментальных исследований разработанного мембранного аппарата.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ГОУ ВПО «КемТИПП» (2007-2010 г.); региональной научно-практической конференции «Непрерывное профессиональное образование и карьера XXI в» (Юрга, 2007); Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2009); международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Кемерово, 2010); международной научно-практической конференции «Инновационные технологии - аграрному сектору экономики» (Республика Казахстан, Семей, 2011); международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (Воронеж, 2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, из них 2 в журналах рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 107 страницах машинописного текста. Работа включает 58 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 141 наименование. Приложения представлены на 15 страницах.
