Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 66.084.8

УЛЬТРАЗВУКОВА КАВІТАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ

ВИЛУЧЕННЯ ПЕКТИНУ З РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ

ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЇЇ РЕАЛІЗАЦІЇ

Спеціальність

05.17.08 - Процеси та обладнання хімічної технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Берник Ірина Миколаївна

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Луговський Олександр Федорович,Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, професор кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, професор кафедри матеріалознавства та технології машинобудування

кандидат технічних наук, доцент Вітенько Тетяна Миколаївна, Тернопільський національний технічний університет ім. І. Пулюя Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри обладнання харчових технологій

Захист відбудеться 19 жовтня 2010 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 19, ауд. 342.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05,

кандидат технічних наук, доцент О.М. Мовчанюк



АНОТАЦІЯ

Берник І.М. Ультразвукова кавітаційна технологія вилучення пектину з рослинної сировини та обладнання для її реалізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2010. диспергування пектин ультразвуковий кавітаційний

Роботу присвячено дослідженню процесу вилучення пектину з рослинної сировини - яблучних вичавок та розробці високоефективних апаратних засобів для реалізації ультразвукової кавітаційної технології.

Запропоновано фізичну модель диспергування-екстрагування цільового компонента з капілярно-пористої системи. Здійснено регресійно-кореляційний аналіз експериментальних даних та визначено технологічні параметри процесу. Досліджено особливості розповсюдження ультразвуку у технологічному об'ємі, що збуджують малоамплітудні та високоамплітудні приводи-випромінювачі. Представлено інженерну методику розрахунку акустичної системи на базі напівхвильового складеного п'єзоелектричного перетворювача. Запропоновано та обґрунтовано принципово нові конструктивні рішення ультразвукових кавітаційних екстракторів.

Ключові слова: яблучні вичавки, пектин, диспергування-екстрагування, кавітація, ультразвукова технологія, ультразвукові кавітаційні апарати, фізична модель, п'єзоелектричний перетворювач, високо- і малоамплітудний кавітатор, рідинно-дисперсне середовище.



Аннотация

Берник И.Н. Ультразвуковая кавитационная технология извлечения пектина с растительного сырья и оборудования для ее реализации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы переработки вторичного растительного сырья с целью производства пектинового концентрата, путем разработки экологически чистого и безопасного процесса извлечения компонента и создания высокоэффективного технологического оборудования, при использовании ультразвуковых кавитационных технологий.

Проведен анализ физических методов извлечения пектина, особенностей влияния механических колебаний ультразвукового диапазона на химико-технологические системы, современных схем ультразвуковых кавитационных аппаратов и возможности их использования для обработки жидкодисперсных сред.

Разработана физическая модель диспергирования протопектина и экстрагирования пектина в системе “капиллярно пористое тело - вода”. Показано, что акустическая кавитация приводит к разрушению химических связей пекто-целюлозного матрикса клеточной оболочки, формирует направленные потоки жидкости на микро- и макроуровнях частицы сырья.

Проведено экспериментальное моделирование, методом уравнений регрессий, которое адекватно описывает зависимость степени извлечения пектина от факторов влияния (интенсивности ультразвукового поля, толщины шара среды, температуры и времени обработки). Определены технологические параметры обработки материала и показатели качества пектинового концентрата.

Проведено аналитическое и экспериментальное исследование распределения звукового давления в технологической среде, с использованием акустического метода измерения. Исследована возможность использования малоамплитудных и высокоамплитудных кавитаторов. Установлено, что в среде происходит значительное затухание ультразвуковых колебаний, эффективная обработка возможна в шаре до 30 мм. Представлено инженерную методику расчета акустической системы на базе полуволнового сложенного пьезокерамического преобразователя.

Предложены и обоснованы принципиально новые конструктивные решения технологического оборудования для диспергирования-экстрагирования пектина с растительного сырья. Разработанные ультразвуковые кавитационные аппараты представлены резонансными колебательными системами в виде открытого проточного плоского лотка с приводами-излучателями на дне и транспортирования технологической среды под давлением в зазоре между двумя коаксиально размещенными толстостенными трубами.

Разработана аппаратурно-технологическая схема производства пектинового концентрата с яблочных выжимок. Использование ультразвуковой кавитационной обработки сырья снижает продолжительность процесса извлечения пектина в 2-2,6 раза при “мягком” режиме.

Результаты работы внедрены на ОАО “ВИННИФРУТ” и ООО “Продсервис-ІР”

Ключевые слова: яблочные выжимки, пектин, диспергирование-экстрагирование, кавитация, ультразвуковая технология, ультразвуковые кавитационные аппараты, физическая модель, пьезокерамические преобразователи, высоко- и малоамплитудные кавитаторы, жидкодисперсная среда.



Annotation

Bernyk I. M. Supersonic cavitations' technology of extracting pectin from vegetable raw material and equipment for its realization. - Manuscript.

Dissertation for technical sciences degree, speciality 05.17.08 - processes and equipment in chemical technology - National technical university of Ukraine “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2010.

The work is devoted to the investigation of the process of extracting pectin from vegetable raw materials and the development of highly efficient hardware for realization of supersonic cavitations' technology.

Physical model for dispersing- extracting of purposeful component from capillary- porous system is proposed. Regressive- correlation analysis of experimental data is carried out and technological parameters of the process are determined. The peculiarities of spreading the supersonic in the technological volume that stimulates low amplitude and high amplitude drive- irradiators are examined. Engineering methods for accounting the acoustic system on the basis of semi-wave complex piezo electric converter are offered. Principally new constructive approaches to the supersonic cavitations' extractors are presented.

Key words: Apple spews, pectin, dispersing- extracting, cavitations, supersonic technology, supersonic cavitations' hardware, physical model, piezo electric converter, low amplitude and high amplitude drive, liquid - disperse environment.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пектин - цінний та незамінний компонент, який набув значного використання у текстильній, поліграфічній та харчовій промисловості, медицині, фармакології і геології. В Україні є значні запаси рослинних сировинних ресурсів, зокрема яблучні вичавки. Однак їх переробка з метою виробництва пектину практично відсутня.

Основним та визначальним у технології виробництва пектину є процес вилучення протопектину з рослинної сировини. Найбільш перспективним шляхом удосконалення виробництва пектинових речовин, зокрема яблучного пектину, є розробка нових технологій, що базуються на використанні фізико-механічних способів, які дозволяють інтенсифікувати процес вилучення, значно пом'якшити параметри обробки та підвищити функціональні властивості продукту.

Застосування ультразвукових кавітаційних технологій, у порівнянні з відомими фізичними способами, має низку суттєвих переваг, обумовлених сукупністю специфічних ефектів, таких як кавітація, звукокапілярний ефект, звукохімічні реакції, акустичні течії, звуковий тиск, які чинять комплексну дію, направлену на інтенсифікацію процесу. Створення сучасних високоефективних п'єзокерамічних матеріалів стало поштовхом до розробки надійних, малогабаритних та простих в експлуатації апаратних засобів для реалізації технології.

Тому дослідження і розробка високоефективних енергозберігаючих та екологічно чистих процесів та обладнання для вилучення пектину з яблучних вичавок на основі застосування ультразвукових кавітаційних технологій є актуальним та перспективним напрямом.

Значний внесок у розвиток зазначеного напряму зробили такі відомі вчені, як Кнепп Р., Флінн Г., Розенберг Л.Д., Пернік О.Д., Федоткін І.М., Яхно О.М., Луговський О.Ф., Бергман Л., Фрідман В.М., Лейко О.Г., Ткаченко О.Н., Ohl C.D., Philipp A., Lauterborn W., Lindau O., Mettin R., Luther S., Koch P., Сосновський Л.Б., Донченко Л.В., Зайко Г.М., Карпович М.С., Крапивницька І.О., Кочеткова А.А., Іліна І.А., Голубєв В.М., Богус О.М. та інші.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до наукового напряму “Ультразвукові кавітаційні технології та пристрої” на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки НТУУ “КПІ”, держбюджетної науково-дослідної роботи НТУУ “КПІ” № 0109U002553 “Розробка принципів побудови математичних моделей та методик проектування виконавчих пристроїв і систем мехатроніки” (№ 2271-П), науково-дослідної роботи “Розробка процесу та обладнання для вилучення пектину з яблучних вичавок в ультразвуковому полі” (договір про творчу співпрацю між Вінницьким державним аграрним університетом та ВАТ “ВІННІФРУТ”).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка та дослідження процесу вилучення пектинових речовин з яблучних вичавок та створення високоефективного обладнання для його реалізації при використанні ультразвукової кавітаційної технології.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести порівняльний аналіз сучасних способів отримання пектинових речовин із вторинних сировинних ресурсів та обладнання для вилучення пектину, на основі якого визначити шляхи підвищення ефективності процесу та сформулювати вимоги до нового обладнання, обґрунтувати вибір раціональних методів обробки яблучних вичавок;

– на основі експериментальних досліджень з'ясувати фізичні процеси, що забезпечують вилучення пектинових речовин із рослинної сировини в кавітаційному середовищі;

– за допомогою експериментальних досліджень визначити раціональні параметри технологічного процесу ультразвукового кавітаційного вилучення пектинових речовин із вторинної рослинної сировини;

– визначити вплив інтенсивності ультразвукових коливань на якісні характеристики та функціональні властивості пектинового концентрату;

– дослідити особливості розповсюдження ультразвукових коливань, збуджених малоамплітудними та високоамплітудними приводами-випромінювачами у технологічній рідинно-дисперсній суміші яблучних вичавок;

– розробити інженерну методику розрахунку акустичних систем технологічного обладнання;

– розробити нові конструкції високоефективного ультразвукового кавітаційного обладнання для обробки рідинно-дисперсних середовищ;

– на основі досліджень обґрунтувати та розробити принципову та апаратурно-технологічну схеми виробництва пектинового концентрату із використанням ультразвукових кавітаційних технологій;

– розробити методику оцінки ефективності вилучення пектину при використанні ультразвукових кавітаційних технологій, на основі апріорної інформації.

Об'єкт досліджень - процес вилучення пектину з яблучних вичавок в умовах імпульсної енергетичної дії ультразвукового поля.

Предмет дослідження - кінетика процесу ультразвукового кавітаційного вилучення пектинових речовин із вторинної рослинної сировини, а також схеми та характеристики обладнання для його реалізації.

Методи дослідження - непрямі технологічні та акустичні методи дослідження кавітації, математико-статистичний аналіз результатів експериментів, типові методики оцінки якості та властивостей сировини, пектинопродуктів і пектину. Обробка експериментальних даних та розрахунки виконувалися із застосуванням сучасних інтегрованих систем Matlab 7.7.0.471, Mathcad 14.0 та ін.

Наукова новизна одержаних результатів:

– науково обґрунтована можливість та доцільність підвищення ефективності процесу вилучення пектинових речовин із вторинної рослинної сировини за рахунок введення в рідинно-дисперсне технологічне середовище ультразвукових коливань високої інтенсивності;

– уперше розроблено та експериментально підтверджено фізичну модель ультразвукового кавітаційного вилучення пектинових речовин із рідинно-дисперсної суміші вторинної рослинної сировини, яка враховує кавітаційне диспергування комплексу целюлоза-протопектин на рівні хімічних зв'язків, кавітаційне вилучення цільових компонентів із капілярно-пористих систем сировини, виникнення високоградієнтних мікропотоків у шарі та кавітаційну хімічну активацію води технологічного розчину;

– експериментально встановлені та науково обґрунтовані раціональні параметри ультразвукового поля, які забезпечують високу ефективність обробки сировини та якісні характеристики екстрактів;

– уперше експериментально досліджені особливості розповсюдження ультразвукових коливань, які утворені малоамплітудними та високоамплітудними приводами-випромінювачами, в рідинно-дисперсній суміші яблучних вичавок, що знаходиться в технологічних об'ємах різної конфігурації.

Практичне значення одержаних результатів:

– запропоновано спосіб ультразвукового кавітаційного диспергування-екстрагування пектину із вторинної рослинної сировини та визначено параметри, що забезпечують високу ефективність екологічно безпечного технологічного процесу отримання пектинового концентрату із рідинно-дисперсної суміші яблучних вичавок;

– визначено поглинальні властивості технологічної рідинно-дисперсної суміші яблучних вичавок;

– розроблено інженерну методику розрахунку ультразвукового кавітаційного обладнання для реалізації технологічного процесу вилучення пектинових речовин із вторинної рослинної сировини;

– розроблено і виготовлено принципово нові конструкції ультразвукових кавітаційних апаратів проточного типу для обробки технологічної рідинно-дисперсної суміші у тонкому шарі, які забезпечують ефективне вилучення пектину за рахунок узгодженої роботи декількох ультразвукових коливальних систем у режимі “розвиненої кавітації”;

– запропоновано технологічну схему автоматизованого комплексу з виробництва пектинового концентрату з вторинної рослинної сировини за ультразвуковим кавітаційним способом;

– результати досліджень мають практичне значення для розробки високоефективних ультразвукових кавітаційних апаратів для диспергування-екстрагування цільового компонента з метою отримання хімічно чистих продуктів рослинної сировини;

– розроблені технологія, обладнання та інженерна методика розрахунку ультразвукових апаратів впроваджено у виробництво на ВАТ “ВІННІФРУТ” (акт впровадження від 12 травня 2009 р.) та ТОВ “Продсервіс-ІР” (акт проведення дослідно-промислових випробувань від 30 жовтня 2009 р.);

– розроблено прогнозну модель оцінки ефективності процесу вилучення пектину при використанні ультразвукових кавітаційних технологій за допомогою засобів нечіткої логіки, яка враховує причинно-наслідковий зв'язок між технологічними та технічними вхідними параметрами та рівнем вихідних змінних;

– запропоновано використання результатів науково-дослідної роботи в навчальному процесі кафедри прикладної гідроаеромеханіки і мехатроніки НТУУ “КПІ” та при підготовці спеціалістів за фахом 7.090221 “Обладнання переробних і харчових виробництв”.

Особистий внесок здобувача полягає у плануванні та проведенні наукових експериментів і промислових робіт, підготовці матеріалів до публікації. Аналіз та узагальнення результатів досліджень виконано спільно з науковим керівником д.т.н., професором Луговським О.Ф. Усі винаходи, що зроблені під час виконання роботи, є результатом колективної творчості.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на таких науково-технічних конференціях та семінарах: VII науково-технічній конференції АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика” - Вінниця ВДАУ, 2006; Международной научно-технической конференции “Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки” - Ростов-на-Дону, ДГТУ (Донской государственный технический университет), 2008; XIIІ Международной научно-технической конференции “Гидроаэромеханика в инженерной практике” - Киев, НТУУ “КПИ”, 2008; XIV Міжнародній науково-технічній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” - Київ, НТУУ “КПІ” - Чернівці, Чернівецький факультет НТУУ “ХПІ”, 2009; ІХ Міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях” - Вінниця, ВДАУ, 2009; Х Міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика” - Львів, Національний лісотехнічний університет України, 14-15 жовтня 2009 р.; XXXIХ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету за участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників. - Вінниця, Вінницький національний технічний університет, 2-5 березня 2010 р.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 12 друкованих роботах, у тому числі: 7 статей у фахових виданнях за переліком ВАК України та одержано 5 патентів України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, додатків та списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації - 204 сторінки, містить 71 рисунок, 13 таблиць, список використаних джерел з 207 найменувань. Основний зміст роботи викладено на 153 сторінках машинописного тексту.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначені мета та основні завдання досліджень, наведено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі здійснено аналітичний огляд способів та обладнання процесу вилучення пектину з рослинної сировини, розглянуто їх основні переваги та недоліки, розроблено класифікацію.

Відзначено, що серед існуючих фізичних методів обробки рослинної сировини з метою вилучення пектину найбільш перспективними є ультразвукові кавітаційні технології. Розглянуто особливості використання ультразвуку, при якому енергетична дія проявляється у фізико-хімічних ефектах, визначальними з яких є акустична кавітація та пов'язані з нею явища - звукокапілярний ефект та хімічні реакції.

Запропоновано класифікацію ультразвукових кавітаційних апаратів та розглянуто основні існуючі конструкції. Проаналізовано труднощі, що супроводжують створення режиму розвиненої кавітації у рідинно-дисперсних середовищах.

На основі аналізу літературних даних сформульовано основні напрями та задачі досліджень.

У другому розділі представлено спеціально розроблені стендові установки, що дозволяють досліджувати умови ультразвукової кавітаційної обробки технологічної суміші в об'ємі за умови забезпечення можливості транспортування суміші під тиском (циліндрична кавітаційна камера з ультразвуковими приводами-випромінювачами на твірній поверхні), моделювання умов ультразвукової кавітаційної обробки технологічної суміші в шарі (плоска кавітаційна камера з ультразвуковим приводом-випромінювачем на донній поверхні) та дослідження умов розповсюдження ультразвукових коливань високої інтенсивності (установка з високоамплітудним кавітаційним приводом). Установки забезпечували введення у технологічну суміш ультразвукових коливань з інтенсивністю, що перевищує поріг кавітації. При цьому установки дозволяли дослідити особливості ультразвукового поля, утвореного як малоамплітудними, так і високоамплітудними приводами-випромінювачами. Обґрунтовано і запропоновано дослідження конфігурації кавітаційної області та інтенсивності кавітаційних процесів проводити з використанням акустичного методу вимірювання - за допомогою гідрофонів.

Розглянуто методи досліджень. Експериментальні дослідження проводили із застосуванням непрямих технологічних методів, тобто досліджували зміну кількісних та якісних показників середовища, які пов'язані з інтенсивністю кавітації. Як критерії повноти руйнування пекто-целюлозного комплексу використано ступінь диспергування (Сд) та ефективності процесу - показник ступеня вилучення (С_В) пектину.

Оцінку вилучення цільового компонента та його якості проводили з використанням фізико-хімічних методів і типових методик пектинового виробництва.

У зв'язку зі складністю аналітичного моделювання, що пов'язано з нелінійністю процесів, запропоновано методику експериментального моделювання, методом рівнянь регресії, залежності ступеня виходу пектину C_в від факторів впливу, при плануванні та обробці результатів багатофакторних експериментів виду 2³ методом Бокса-Уілсона, з використанням прикладних програм для ПК.

У третьому розділі представлено розроблену фізичну модель технологічного процесу вилучення пектину з рослинної сировини під впливом ультразвукової кавітації. Механізм трансформації протопектину та вилучення пектину з сировини описаний багатостадійним процесом диспергування-екстрагування пектину.

Диспергування протопектину відбувається під впливом високочастотних коливань середовища, їх впливу на частинки сировини та молекулярні структури. Як наслідок, відбувається порушення структури та руйнування хімічного зв'язку між компонентами системи - вони розділяються на целюлозні волокна і пектин.

Кавітаційна обробка спричиняє хімічну активацію води, підвищується активність диполя та порушується просторова її структура. Диполі води активовані вільними радикалами активно гідратують іони Са²⁺ та Мg²⁺ комплексу пектину з металами, відбувається руйнування сольових містків через порівняно невисоку енергію зв'язку. Під час руйнування сольових містків пектинові речовини дифундують в екстракт, випрямляючись під дією електростатичних сил.

Фізична модель екстрагування розглядається на мікро- (капіляр) та макрорівнях (частинка та шар середовища).

Процеси у капілярах характеризуються кавітацією та звукокапілярним ефектом, що значно підвищує інтенсивність внутрішньої дифузії, яка за рахунок формування направленого сформованого потоку рідини з молекулярної перетворюється у конвективну. Розчинена речовина інтенсивно переміщується вздовж капіляра та виводиться з нього.

На рівні частинок відбуваються сферичні та несферичні захлопування та пульсації кавітаційних бульбашок. Під дією ударних хвиль, мікроструменів і мікротечій відбувається змивання примежового дифузійного шару та інтенсивний рух рідини навколо частинки, що сприяє інтенсифікації масопередачі та підведенню нових порцій екстрагента до частинок матеріалу.

Модель у шарі характеризується сукупністю процесів у капілярах та на рівні частинок, при якій кавітаційні бульбашки будуть відігравати роль мікротрансформаторів, що перетворюють акумульовану потенціальну енергію системи в кінетичну енергію рідини, яка розподілена в просторі та в часі.

Результати експериментальних досліджень кінетики диспергування підтверджують, що основними факторами впливу на процес є інтенсивність звуку та температура. Диспергування протопектину відбувається вже за 30 хвилин обробки - С_д=87%.

Для аналізу кінетики диспергування протопектину (табл. 1) були розраховані константи швидкості диспергування (К_Д). Для цього використовували залежність:

,

де А - початкова кількість протопектину в сировині; Х - кількість речовини, яка прореагувала за даний момент часу; - тривалість реакції.

Залежність показника К_Д від інтенсивності звука та температури середовища. Найкращі значення констант швидкості диспергування спостерігаються за температури 50 ^оС та інтенсивності звука 7-10 Вт/см².

У результаті проведеного багатофакторного експерименту отримано квадратичні рівняння регресії, які дозволяють адекватно описати залежність значень величини ступеня виходу пектину C_в від основних параметрів впливу: інтенсивності ультразвукового поля І, товщини шару продукту b, тривалості та температури t обробки.

Для дійсних значень факторів рівняння регресії функції відгуку

:

Для функції відгуку , відповідно:



Побудовані поверхні відгуків критеріїв оптимізації та їх двомірні перерізи дозволяють наглядно ілюструвати залежності значень величини ступеня виходу пектину C_в від окремих параметрів оптимізації та місцезнаходження оптимумів.

Встановлено, що пектинові екстракти, які отримані при використанні ультразвукових кавітаційних технологій, володіють геле- та комплексоутворювальною здатністю, величина яких залежать від інтенсивності звуку.

Показник гелеутворення знаходиться в межах 47-53 кПа в залежності від інтенсивності звуку, що також підтверджується показниками ступеня етерифікації. Найвищий показник має пектин, отриманий при обробці яблучних вичавок ультразвуком з інтенсивністю 5 Вт/см².

Результати досліджень свідчать, що комплексоутворення яблучного пектинового екстракту зростає з підвищенням інтенсивності ультразвуку та досягає найвищого значення 14 мг Pb²⁺/г при І - 10 Вт/см². Дослідження взаємодії пектину з металами проводили у слабокислому середовищі (рН екстракту 5,5-6,5), що відповідає найбільш інтенсивному процесу. Таким чином, яблучний пектиновий екстракт, отриманий з використанням ультразвуку, має високі сорбційні та детоксикуючі властивості.

У четвертому розділі досліджено параметри ультразвукового поля у технологічному процесі кавітаційного диспергування-екстрагування пектину.

Теоретичні розрахунки та експериментальна перевірка показала, що при споживаній потужності 130 Вт акустичне поле високоамплітудного кавітатора в розчині вичавок швидко згасає у міру віддалення від випромінюючої поверхні і на відстані більше 10 мм перебуває на рівні шумів. При цьому обробка вичавок може відбуватися тільки в малому об'ємі, в безпосередній близькості від випромінюючої поверхні кавітатора.

У порівнянні з високоамплітудним кавітатором діаграма спрямованості малоамплітудного має більш витягнуту форму у бік напрямку випромінювання.

Отже, такий привід-випромінювач має більш спрямовані властивості, що дозволяє більш інтенсивно обробляти технологічну рідину у напрямку осі випромінювання.

Експериментальне дослідження розподілу звукового тиску для малоамплітудного кавітатора підтверджує отримані теоретичні висновки.

Теоретичні та експериментальні дослідження в циліндричній кавітаційній камері проводили на частоті 33 кГц. Зміна звукового тиску по осі між приводами-випромінювачами свідчить, що під час збудження радіально-згинальних коливань циліндричної поверхні спостерігається падіння тиску в центральній частині. Під час насичення води вичавками спостерігається майже 10-кратне падіння тиску в центральній частині камери, що свідчить про суттєві поглинальні властивості середовища, насиченого вичавками. Причому, встановлено, що ступінь поглинання ультразвукової енергії не суттєво залежить від концентрації вичавок у воді у межах її промислової доцільності (15...30%).

У разі конструктивного відокремлення зони високої кавітаційної активності, в об'ємі циліндричної камери, що досліджується, необхідно встановити співвісно з камерою додаткову циліндричну трубу.

Звуковий тиск по глибині макетного зразка циліндричної кавітаційної камери має максимальне значення навпроти привода-випромінювача і поступово згасає при віддаленні від нього в різні боки по висоті камери.

Досліджені типи резонансних приводів-випромінювачів дозволяють забезпечити якісну кавітаційну обробку суміші на відстані до 30 мм від поверхні випромінювання при використанні малоамплітудного кавітатора та циліндричної кавітаційної камери.

У п'ятому розділі наведено інженерну методику розрахунку ультразвукових кавітаційних апаратів для реалізації процесу вилучення пектину в ультразвуковому кавітаційному середовищі.

У названому розділі викладено методику розрахунку напівхвильового резонансного привода-випромінювача, в основу якого покладено напівхвильовий п'єзоелектричний перетворювач Ланжевєна (рис. 6), що дозволяє розрахувати конструктивні розміри випромінюючої накладки, п'єзокерамічного пакета та демпфуючої накладки з урахуванням матеріалів, з яких вони виготовленні.

Ультразвукові приводи-випромінювачі закріплюються на дні лотка у точці максимальної амплітуди коливань, тобто торцевою поверхнею випромінюючої накладки. Максимальну ефективність коливань донної поверхні забезпечує застосування трансформаторів швидкості, завдяки яким зменшується площа випромінюючого торця і збільшується амплітуда його коливань.

Для перетворювача, що здійснює гармонічні коливання та має деяку власну частоту, можна записати:

, (1)

де ; - частота резонансних коливань.

Граничні умови для коливальної системи згідно з розрахунковою схемою (рис. 7) представимо як:

при ; (2)

при ; (3)

при ; (4)

при . (5)



Врахування першої половини умови (2) дозволяє з рівняння (1) отримати:

; (6)

. (7)

Друга половина умови (3) після диференціювання дозволяє отримати:

. (8)

Згідно з граничною умовою (10) рівняння (6) набуде вигляду:

. (9)

З урахуванням (9) рівняння (1), першої та другої половини граничної умови (4) дозволяє після диференціювання записати рівняння в такому вигляді:

Врахування співвідношення (8) дає можливість отримати:



. (11)

Для визначення поздовжнього розміру за формулою (11) необхідно задатися бажаними товщиною та матеріалом демпфуючої накладки і вибрати типорозмір п'єзокерамічних кілець.

Довжину ступеня малої площі трансформатора швидкості (рис. 6) за умови виготовлення його з матеріалу, однакового з матеріалом дна лотка, можна визначити із залежності:

, (12)

де - товщина дна проточного лотка. Товщина шару технологічної суміші в лотку вираховується згідно із залежністю:

,

де - швидкість звуку в технологічній суміші.

У випадку застосування в технологічному обладнанні ультразвукової кавітаційної камери у вигляді двох коаксіально розміщених труб і розташуванні резонансних приводів на твірній поверхні зовнішньої труби розрахунок розмірів елементів акустичної системи відбувається аналогічно за наведеними вище залежностями. При цьому, для розрахунку резонансної частоти зовнішньої труби слід скористатися залежністю:



,

де - кількість радіально-згинальних хвиль у перерізі трубі; - товщина кільця; - середній радіус кільця;

При збудженні резонансних приводів, розміщених у пучностях згідно з схемою, слід враховувати фазність підключення приводів до електричного генератора коливань.

У шостому розділі наведено схеми побудови ультразвукового технологічного обладнання для реалізації процесу вилучення пектину із рослинної сировини.

Перша схема передбачає застосування проточного лотка, в донній поверхні якого встановлені напівхвильові резонансні приводи-випромінювачі

Товщина шару технологічної суміші задається сталевою стрічкою, що рухається паралельно лотку і віддалена від поверхні випромінювачів на відстань, що дорівнює половині довжини ультразвукової хвилі в технологічній суміші. Таке розміщення стрічки забезпечує ефективне відбиття від її поверхні в шар суміші ультразвукової хвилі і утворення в шарі стоячої хвилі деформації. При цьому, введена в суміш, ультразвукова енергія максимально ефективно використовується для утворення кавітаційного середовища.

Друга схема передбачає транспортування технологічної суміші під тиском крізь зазор між двома коаксіально розміщеними товстостінними трубами.

Радіальний зазор між трубами становить половину довжини ультразвукової хвилі в суміші.

На твірній поверхні зовнішньої труби розміщені ультразвукові резонансні приводи-випромінювачі, оснащені ножеподібними трансформаторами швидкості. Приводи-випромінювачі в межах однієї секції приводів збуджують у зовнішній трубі радіально-згинальні коливання, а вздовж труби між секціями приводів збуджуються поздовжньо-згинальні коливання. Прокачування суміші під тиском дозволяє підвищити інтенсивність кавітаційної обробки.

На основі запропонованого технологічного обладнання розроблено принципову та машинно-апаратурну схему виробництва пектинового концентрату, лінія складається зі стандартизованого обладнання хімічної та харчової промисловості.

Відповідно до технологічних вимог пектинового виробництва та на основі проведених експериментальних досліджень розроблено прогнозну модель ефективності технологічного процесу.

Моделювання процесу вилучення пектину з рослинної сировини проводили з використанням методів нечітких множин та нечіткої логіки, що дає можливість організувати новий підхід та використовувати кількісні та якісні дані, досвід персоналу, технічне оснащення.

Ступінь належності елементу до нечіткої множини проводили з використанням дзвіноподібної функції належності.

Математичною моделлю технологічного процесу вилучення пектину є система нечітких логічних рівнянь для укрупнених параметрів стану.

Результатом математичної оцінки процесу є графічні поверхні вихідних змінних від укрупнених параметрів стану.

Для тонкого налаштування моделі в подальшому необхідно використовувати апарат генетичних алгоритмів, який забезпечує результат у залежності від вибірки.

Прогнозування процесу переробки пектиновмісної сировини є необхідним елементом його організації. З формальної точки зору, ця задача відноситься до широкого класу задач прогнозування дискретних послідовностей (сукупності значень при фіксованих показниках), які можливі при оцінці якості сировини та при налаштуванні параметрів її переробки.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримано і наведено нові науково обґрунтовані теоретичні та експериментальні розробки в галузі ультразвукової кавітаційної технології для реалізації процесу вилучення пектину з рослинної сировини - яблучних вичавок.

Більш детально основні результати і висновки сформульовані таким чином:

1. На підставі аналізу науково-технічної інформації з проблеми удосконалення процесу вилучення пектину і його апаратурного оформлення встановлено, що використання ультразвукових кавітаційних технологій є одним із перспективних напрямів. Проте для широкого використання зазначених технологій відсутня інформація про механізм впливу ультразвукового поля на пектиновмісний рослинний матеріал, технологічні параметри процесу та обладнання для їх реалізації.

2. Наведена фізична модель технологічного процесу вилучення пектину в ультразвуковому кавітаційному полі включає механізми:

- диспергування, тобто розрив хімічних зв'язків між пектином та іншими полісахаридами (целюлозою, геміцелюлозою, лігніном) за рахунок фізико-хімічних ефектів, обумовлених ультразвуковою кавітацією;

- екстрагування, яке полягає у впливі енергетичного поля на мікро- і макрорівнях шляхом формування направленого потоку речовин у капілярі та інтенсивного руху екстрагента навколо частинки і шару середовища, тобто створення умов конвективного масопереносу.

3. Експериментально досліджено кінетику диспергування протопектину з яблучних вичавок. Розраховано константи швидкості реакцій, а також встановлено, що суттєве руйнування пекто-целюлозного комплексу відбувається за 30 хв обробки та залежить від інтенсивності ультразвуку і температури, ступінь диспергування може сягати 85-92%.

4. Визначено раціональні режими процесу вилучення пектину з рослинної сировини в ультразвуковому полі: інтенсивність 5-10 Вт/см², тривалість 45-60 хв, температура екстрагента (води) 40-50 ⁰С, гідромодуль 1:5-1:15, розмір частинок 1-2 мм. При цьому досягається максимальний вихід пектину у межах 80-90%. У результаті проведення багатофакторних експериментів отримано регресійні рівняння залежності виходу пектину від інтенсивності звуку, товщини шару технологічного середовища, температури екстрагента та тривалості обробки.

5. Встановлено, що пектинові екстракти, отримані згідно із запропонованим способом обробки, мають гелеутворювальну до 53 кПа і комплексоутворювальну до 14 мг Pb²⁺/г здатність, а тому можуть бути використані як гелеутворювачі і згущувачі в харчовій промисловості та для лікувально-профілактичних цілей. Параметри кавітаційної обробки визначають якість отриманих пектинових екстрактів.

6. Експериментально встановлено, що у технологічному середовищі відбувається значне затухання ультразвукового поля. Розповсюдження в об'ємі коливань ефективне на відстані до 30 мм від поверхні випромінювання. Розподіл відносного звукового тиску в рідинно-дисперсному середовищі ідентичний з водою.

7. Розроблено інженерну методику визначення основних розмірів акустичної системи при проектуванні ультразвукових кавітаційних апаратів, яка дозволяє забезпечити ефективне введення в шар технологічної суміші ультразвукових коливань за рахунок узгодження резонансних коливань окремих складових частин, усунення взаємного впливу окремих приводів-випромінювачів, врахування необхідних міцнісних та акустичних характеристик матеріалів і технологічного середовища.

8. Запропоновано принципово нове технологічне обладнання для обробки рідинно-дисперсних середовищ у проточних камерах - резонансні коливальні системи, зокрема:

– проточного лотка, в донній поверхні якого встановлені напівхвильові резонансні приводи-випромінювачі;

– щілинного каналу між двома каоксіально розміщеними трубами з ультразвуковими приводами-випромінювачами на зовнішній твірній поверхні.

Їх використання дозволяє підвищити ефективність використання ультразвукових кавітаційних технологій та реалізує можливість застосування у промислових умовах.

9. Розроблено нову високоефективну апаратурно-технологічну схему виробництва пектинового концентрату з використанням ультразвукового способу та технологічного обладнання для вилучення пектину із сировини в умовах безперервності процесу.

10. Математичну модель прогнозування ефективності технологічного процесу вилучення пектину в ультразвуковому полі з використанням теорії нечітких множин, що пов'язують сировинний, технологічний та апаратурно-схемний ієрархічні рівні, можна розглядати як альтернативний підхід аналізу функціонування та причин порушення якості його виконання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ за темою дисертації

1. Луговской А. Ф. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной очистки в ваннах малого объема / А. Ф. Луговской, А. В. Мовчанюк, В.И. Чорный, М.Ф. Омелич, И.Н. Берник // Промислова гідравліка і пневмоавтоматика. - 2007. - №1 (15). - 40-43 (проведення експериментальних досліджень, участь в обговоренні та аналізі отриманих результатів).

2. Берник И.Н. Гидролиз-экстракция пектиновых веществ растительного сырья с использованием механических колебаний // Вібрації в техніці та технологіях. - 2008. - №2 (51). - С. 90-93.

3. Луговський О.Ф. Використання фізичних полів для гідролізу-екстракції протопектину рослинної сировини / О. Ф. Луговський, І. М. Берник // Вібрації в техніці та технологіях. - 2008. - №3 (52). - С. 92-100 (вивчення літератури, підготовка матеріалів до публікації).

4. Берник І. М. Дослідження параметрів ультразвукового поля в технологічному процесі кавітаційного гідролізу-екстрації пектину / І. М. Берник, О.Ф. Луговський, А. В. Мовчанюк, А. В. Ляшок // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія машинобудування. - 2009. - №57. - С. 82-87 (проведення експериментальних досліджень, участь в обговоренні та аналізі отриманих результатів)

5. Берник І.М. Встановлення оптимальних параметрів технологічного процесу вилучення пектину з яблучних вичавок в ультразвуковому полі // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Тематический выпуск “Химия, химическая технология и экология”. - 2009. - №45. - С. 21-27.

6. Берник І. М. Методика розрахунку ультразвукового кавітаційного обладнання для технологічного процесу гідролізу-екстрагування пектину / І.М. Берник, І. А. Гришко, О. Ф. Луговський // Вібрації в техніці та технологіях. - 2009. - № 4 (56). - С. 123-129 (брала участь у розробці методики та оформленні публікації).

7. Берник І. М. Особливості вилучення пектину в ультразвуковому кавітаційному полі та його властивості / І. М. Берник, О. Ф. Луговський, І.О. Крапивницька // Наукові праці Національного університету харчових технологій - 2010. - № 32. - С. 59-63 (проведення експериментальних досліджень, участь в обговоренні та аналізі отриманих результатів).

8. Патент 42012 МПК С08В 37/06 та А23L 1/0524 / Пристрій для отримання рідкого яблучного пектину / О.М. Яхно, О.Ф. Луговський, І.М. Берник; заявники та власники патенту НТУУ «КПІ» та Вінницький держ. аграрний ун-т - № 200813547; заявл. 24.11.2008; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12/2009. (участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

9. Патент 42014 МПК С08В 37/06 та А23L 1/0524 / Пристрій для отримання модифікованого яблучно-пектинового пюре / О.М. Яхно, О.Ф. Луговський, І.М. Берник; заявники та власники патенту НТУУ «КПІ» та Вінницький держ. аграрний ун-т - №200813577; заявл. 24.11.2008; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12/2009. (участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

10. Патент 46956 Україна МПК С08В 37/06 та А23L 1/0524 / Установка для проведення гідролізу-екстрагування / О.Ф. Луговський, А.В. Мовчанюк, І.М. Берник, А.В. Ляшок; заявник та власник патенту Вінницький держ. аграрний ун-т - №200907800; заявл. 24.07.2009; опубл. 11.01.2010, Бюл. № 1/2010. (участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

11. Патент 47865 Україна МПК С 02F 1/36, А 61 L 2/02 та C 02F 1/48 / Пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідинних середовищ у тонкому шарі в потоці / О.Ф. Луговський, А.В. Мовчанюк, І.М. Берник; заявник та власник патенту Вінницький держ. аграрний ун-т - №200909432; заявл. 14.09.2009; опубл. 25.02.2010, Бюл. № 4/2010. (участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

12. Патент 47866 Україна МПК А 23L 1/0524 / Спосіб вилучення пектину з пектиновмісної сировини / О.Ф. Луговський, І.М. Берник, І.О. Крапивницька; заявник та власник патенту Вінницький держ. аграрний ун-т - №200909435; заявл. 14.09.2009; опубл. 25.02.2010, Бюл. № 4/2010. (участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова).

Размещено на Allbest.ru

...