Дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин та його апаратурне оформлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

УДК 66.067.38.002.73:664-404

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ УЛЬТРАФІЛЬТРАЦІЙНОГО КОНЦЕНТРУВАННЯ СКОЛОТИН ТА ЙОГО АПАРАТУРНЕ ОФОРМЛЕННЯ

Спеціальність 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних

і фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МАЗНЯК ЗАХАР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Харків - 2003



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному університеті харчування та торгівлі Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дейниченко Григорій Вікторович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри устаткування підприємств харчування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гуцалюк Валерій Михайлович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

кандидат технічних наук, доцент Ізбаш Євгенія Олександрівна, Одеська національна академія харчових технологій, доцент кафедри технології молока і сушіння харчових продуктів

Провідна установа: Київський національний торговельно-економічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра інженерно-технічних дисциплін

Захист відбудеться “ 28 ” листопада 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківського державного універси- тету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, 61051, м. Харків.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клоч- ківська, 333, 61051, м. Харків.

Автореферат розісланий “ 28 ” жовтня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Михайлов В.М.



АНОТАЦІЯ

Мазняк З.О. Дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин та його апаратурне оформлення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Харківський державний університет харчування та торгівлі Міністерства освіти і науки України, Харків, 2003.

Дисертацію присвячено дослідженню процесу ультрафільтрації сколотин з використанням напівпроникних мембран другого покоління типу ГР та розробці його апаратурного оформлення.

Отримано відомості про структуру і властивості мембран ГР81ПП та ГР61ПП, запропоновані найбільш раціональні баричні, температурні та хімічні параметри процесу ультрафільтрації з їх використанням.

Визначені раціональні технологічні параметри процесу УФ сколотин в тупиковому режимі та в режимах із застосуванням інтенсифікуючих заходів - з вібраційним перемішуванням рідини над поверхнею мембрани та з пульсуючою подачею вихідної сировини.

Розроблено дослідно-експериментальні зразки ультрафільтраційних модулей з перфорованими вібруючими пластинами та з пульсуючою подачею вихідної сировини. Здійснено комплекс заходів із впровадження результатів досліджень в практику.

Ключові слова: ультрафільтрація, сколотини, напівпроникні мембрани, вібраційне перемішування, пульсуюча подача, ультрафільтраційний модуль.



АННОТАЦИЯ

Мазняк З.А. Исследование процесса ультрафильтрационного концентриро- вания пахты и его аппаратурное оформление. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. - Харьковский государственный университет питания и торговли Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена исследованию процесса ультрафильтрации пахты с использованием полупроницаемых мембран второго поколения типа ГР и разработке его аппаратурного оформления.

Получены сведения о структуре и свойствах мембран ГР81ПП и ГР61ПП, предложены наиболее рациональные баричные, температурные и химические параметры процесса ультрафильтрации с их использованием.

Определены рациональные технологические параметры процесса УФ пахты в тупиковом режиме и в режимах с применением интенсифицирующих мероприя- тий - с вибрационным перемешиванием жидкости над поверхностью мембраны и с пульсирующей подачей исходного сырья

Разработаны опытно-експериментальные образцы ультрафильтрационных модулей с перфорированными вибрирующими пластинами и с пульсирующей подачей исходного сырья. Осуществлён комплекс мероприятий по внедрению результатов исследований в практику.

Ключевые слова: ультрафильтрация, пахта, полупроницаемые мембраны, вибрационное перемешивание, пульсирующая подача, ультрафильтрационный модуль.



THE SUMMARY

Maznyak Z.O. Research of process of ultrafiltration concentration of whey and its equipment decision - Manuscript.

Thesis for candidate's degree by speciality 05.18.12 - Processes and Equipment of Food, Microbiological and Pharmaceutical Industries. - Kharkiv State University of Food Technology and Trade of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to research of process of ultrafiltration concentration of whey with using of semipenetrate membranes of the second generation such type as ГР and development of equipment decision.

The existing methods of membrane processing of biological liquids are analyzed, the various types of membrane modules and foreign manufacturers are considered, the circuits of experimental membrane installations for ultrafiltration of biological liquids are offered, the technologies of manufacture of milk products on the basis of concentrates, received by a method of ultrafiltration are considered.

The analysis of the literary sources, complex patent researches under the theory and practice of ultrafiltrations' process of biological liquids have allowed to make the conclusion that the introduction of membrane technology in a food-processing industry of Ukraine occurs by low rates. It is possible to explain by a number of the reasons, which are connected to insufficient assortment and quality of home-produced industrial membranes and equipment for membrane processes. The important factor, which slow down introduction of membrane technology in a food-processing industry - imperfection of formation's technology of membranes, their difficulty and high cost. Besides the restriction factor is the limitation, and in some instances absence of scientific researches of modern membranes. Such negative reasons predetermine necessity of realization of researches of characteristics modern semipenetrate membranes, determination of rational parameters of ultrafiltration liquid biological systems, development of membrane modules of small productivity for maintenance of needs of the food enterprises of average capacity. ультрафільтрація сколотин вібраційний

The efficiency of processes of ultrafiltration depends first of all on correctness of the chosen modes of operation of membranes. Such modes are working pressure and temperature of filtration.

For this reason are determined physic-chemical parameters of semipenetrate ultrafiltration membranes such as ГР intended for concentrating of protein contain liquids -whey etc.

The experimental researches on study of physic-chemical parameters of semipenetrate ultrafiltration membranes such as ГР have allowed getting as much as possible allowable regimes of their use. Size of compress factor of membranes also was established which takes into account instability of their productivity, and makes for membrane ГР61ПП 0,40…0,45, for membrane ГР81ПП - 0,20 … 0,25.

On the basis of experimental researches of process of ultrafiltration of whey was proved, that on speed of filtration, selectivity on protein and lactose the membranes such as ГР are perspective. The rational technological parameters of process of ultrafiltration of whey in a deadlock mode are determined. Is established, that the working pressure of process should be 4…5 bar, temperature of filtration - 40…50⁰С.

It is offered for prevention of formation of a polarizing layer of high-molecular connections to carry out the process of ultrafiltration of whey by vibrating mixing above a surface of a membrane and with pulsing submission of initial liquid system.

The rational technological parameters of process of ultrafiltration of whey with use of ways it acceleration are determined. Is established, that the process of ultrafiltration of whey with vibrating mixing is necessary for carrying out at values of pressure 4…5 bar, temperature 40…50⁰С, speed of pulsing stream 1,5…1,7 m/s; process ultrafiltration with pulsing submission of initial liquid system - at values of pressure 5…6 bar, temperature 40…50⁰С, frequency of pulsing submission 90…100 min^-1. On the basis of the received experimental data is proved, that these constructive features and technological modes allow accelerating the process of ultrafiltration of whey in comparison with ultrafiltration in a deadlock mode accordingly in 2,0 and 1,6 times.

Skilled-experimental samples of ultrafiltration modules with flat filtering elements are developed: with vibrating mixing of a liquid above a surface of membranes and with pulsing submission of initial liquid system. The basic technical and economical parameters of work of modules are determined, the complete set of the design documentation on their manufacture is created.

The complex of measures on introduction of results of researches in practice is carried out. Skilled-experimental samples of ultrafiltration modules have passed industrial approbation in conditions “Galacton”, Kiev, the complete set of the design documentation on their manufacture is handed “Donetsk factory “ Prodmash”. Are developed and maintained the practical recommendations for rational exploitation of ultrafiltration modules in conditions of the milk process enterprises of small and average capacity.

The economic efficiency from introduction of results of researches has made 80,24 thousand griven per one year.

Keywords: ultrafiltration, whey, semipenetrate membranes, vibrating mixing, pulsing submission, ultrafiltration module.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних економічних умовах на всіх етапах виробництва та переробки харчової сільськогосподарської сировини велика увага приділяється створенню та освоєнню нових ресурсозберігаючих технологій, а також удосконаленню існуючих технологічних процесів. Серед них особливу роль відіграють мембранні методи, зокрема ультрафільтрація (УФ), промислове застосування яких розпочалося в шістдесяті роки минулого сторіччя і які на сьогодні використовуються практично в усіх галузях промисловості. Застосування УФ в харчовій промисловості є особливо перспективним, оскільки вона дозволяє здійснювати очищення та концентрування харчових рідин без впливу температури, що сприяє зберіганню нативних властивостей харчових нутрієнтів, підвищувати ступінь використання окремих компонентів сировини, знижувати енергоємність процесів, отримувати продукти харчування підвищеної харчової цінності.

Дослідженню процесів УФ харчової сировини та їх апаратурного оформлення присвячені наукові роботи багатьох вітчизняних та іноземних вчених, серед яких Ю.І. Дитнерський, М.М. Ліпатов, М.О. Гришин, О.П. Чагаровський, Є.О. Фетисов, В.М. Гуцалюк, О.В. Конанихін, S.T. Hwang, K. Kammermeyer. Завдяки їх роботам стало можливим впровадження УФ в окремі галузі харчової промисловості.

Разом з тим на сьогодні широкої реалізації УФ в харчовій промисловості України не отримала. Насамперед це пов'язано з відсутністю об'єктивної інформації стосовно характеристик, властивостей та режимів експлуатації сучасних УФ мембран, недосконалістю конструкцій вітчизняних промислових УФ установок, відсутністю ультрафільтраційних модулей малої потужності. Явну стримуючу роль в розширенні використання УФ, зокрема в молочній промисловості, відіграє недостатня кількість наукових досліджень процесів переробки молочної сировини з їх подальшим використанням в технологічних розробках.

Дослідження вітчизняних вчених стосовно застосування процесу ультрафільтраційної обробки молочної сировини на сьогодні мають епізодичний характер. Вони присвячені вузькому колу питань, які стосуються використання УФ при переробці знежиреного молока та молочної сироватки з отриманням сухих та рідинних ультрафільтраційних концентратів. Практично відсутні наукові розробки, присвячені дослідженню процесу УФ сколотин, які є цінною білково-вуглеводною молочною сировиною.

Тому дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин та розробка його апаратурного оформлення є задачею актуальною і своєчасною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до основних напрямків наукових досліджень Харківського державного університету харчування та торгівлі за темою № 10-03-06 Б “Удосконалення процесів та обладнання для переробки харчової сировини на підприємствах харчування“, а також за госпдоговірною тематикою “Дослідження процесу ультрафільтрації сколотин з метою розробки технології м'якого морозива” (№ держреєстрації 0102V003971).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обґрунтування та експериментальна розробка процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин та його апаратурне оформлення.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- дослідити структуру, властивості та характеристики ультрафільтраційних мембран типу ГР;

- визначити вплив температурних, баричних та хімічних параметрів проце- су УФ на властивості напівпроникних мембран;

- дослідити процес ультрафільтраційного концентрування сколотин з ви- користанням мембран типу ГР в тупиковому режимі;

- проаналізувати чинники, що впливають на рівень концентраційної поля- ризації на поверхні мембран в процесі ультрафільтраційного концентрування сколотин;

- визначити можливі конструктивні заходи, що запобігають утворенню гель-шару на поверхні напівпроникних мембран;

- встановити раціональні параметри технологічних режимів процесу УФ сколотин з вібраційним перемішуванням та з пульсуючою подачею вихідної сировини;

- розробити конструкції ультрафільтраційних модулей малої потужності з вібраційним перемішуванням та з пульсуючою подачею вихідної сировини;

- здійснити комплекс заходів щодо впровадження результатів досліджень в практику;

- оцінити економічний і соціальний ефекти отриманих результатів.

Об'єкт дослідження - процес ультрафільтраційного концентрування сколотин та його апаратурне оформлення.

Предмет дослідження - напівпроникні мембрани, ультрафільтраційні модулі з плоскими фільтрувальними елементами, сколотини та продукти їх ультрафільтраційного розділення - УФ концентрати з різним фактором концентрування та пермеат.

Методи дослідження - оригінальні лабораторні установки для дослідження параметрів процесу УФ сколотин; стандартні методи визначення характеристик напівпроникних мембран, фізико-хімічних показників вихідної сировини та продуктів ультрафільтраційного розділення, а також методика математичної обробки результатів експериментів з використанням обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено вплив баричних, температурних і хімічних параметрів процесу УФ на структуру, властивості та характеристики ультрафільтраційних мембран типу ГР;

- визначено раціональні параметри і режими процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин у тупиковому режимі;

- науково обґрунтовано та експериментально доведено доцільність вико- ристання вібраційного перемішування та пульсуючої подачі вихідної сировини для інтенсифікації процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин;

- встановлено аналітичні залежності та визначено раціональні режими процесу УФ сколотин з вібраційним перемішуванням та з пульсуючою подачею вихідної сировини;

- визначено комплекс фізико-хімічних показників якості продуктів ультра- фільтраційного розділення сколотин - УФ концентратів з різним фактором концентрування та пермеату.

На технічні рішення, запропоновані в дисертаційній роботі, отримано 2 деклараційні патенти України на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів. На основі комплексу проведених досліджень визначені технічні характеристики напівпроникних ультрафільтраційних мембран типу ГР.

Визначено вплив тиску, температури, гідродинамічного режиму течії, рН та концентрації сухих речовин на процес УФ сколотин і запропоновані раціональні режимні параметри процесу.

Розроблені конструкції ультрафільтраційних модулей малої потужності з вібраційним перемішуванням та з пульсуючою подачею вихідною сировини.

Розроблені та затверджені рекомендації “Підвищення продуктивності промислових ультрафільтраційних установок при ультрафільтраційному розділенні сколотин та їх використання в технологіях м'якого морозива на молокопереробних підприємствах середньої та великої потужності”.

Реалізація роботи. Проведено апробацію дослідно-експериментальних зразків ультрафільтраційних модулей з вібраційним перемішуванням і з пульсуючою подачею вихідної сировини у виробничих умовах ВАТ “Галактон”, м. Київ (акт впровадження від 15.02.2003 р).

Проектна документація на ультрафільтраційні модулі з вібраційним перемішуванням і з пульсуючою подачею вихідної сировини передана для впровадження на АТВТ “Донецький завод “Продмаш” (акт впровадження від 15.04.2003 р)

Економічна ефективність від впровадження результатів дослідження становить 80,24 тис. грн.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів полягає у постановці та проведенні наукових експериментів, обробці дослідних даних, узагальненні отриманих результатів, формулюванні висновків та рекомендацій, участі у випробуваннях дослідно-експериментальних зразків ультрафільтраційних модулей, підготовці матеріалів до публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і результати досліджень доповідались, обговорювались і були схвалені на: 67 Науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених НУХТ (м. Київ, 2001 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” (м. Слов'яногірськ, 2001 р., м. Святогірськ, 2003 р.); міжвузівському науковому семінарі “Нові технології і обладнання харчових виробництв” (м. Полтава, 2001 р); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення” (м. Київ, 2001 р.); Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості (м. Київ, 2002 р.); IX міжнародній науково-практичній конференції “Машиностроение и техносфера XXI века” (м. Донецьк, 2002 р.); міжнародній науково-методичній конференції, присвяченій 35-річчю Харківської державної академії технології та організації харчування “Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі” (м. Харків, 2002 р.).

Розроблені ультрафільтраційні модулі демонструвались та отримали схвалення на: виставці наукових досліджень Харківської державної академії технології та організації харчування “Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі” (м. Харків, 2002 р.); обласній виставці наукових досягнень “Наукова Харківщина - 2003” (м. Харків, 2003 р.); міжнародній багатогалузевій виставці “Регіональна співдружність” в рамках “Великого слобожанського ярмарку” (м. Харків, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, у тому числі статей у наукових фахових виданнях, що затверджені ВАК України - 6, тез доповідей та матеріалів наукових конференцій - 7, отримано 2 деклараційні патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 179 найменувань, у тому числі 54 іноземних, а також 6 додатків. Дисертацію викладено на 162 сторінках друкованого тексту, вона містить 14 таблиць і 43 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено її наукову новизну і практичне значення, сформульовано мету та задачі дослідження.

В першому розділі “Аналіз процесів баромембранної обробки харчових рідин та обладнання для їх реалізації” представлено результати проведеного огляду й аналізу науково-технічної і патентної літератури, а також фірмової документації, яку присвячено проблемі ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин. Виявлено, що основними причинами, які перешкоджають використанню мембранних технологій в харчових галузях промисловості України є: недостатній асортимент і якість промислових мембран, апаратів і установок вітчизняного виробництва для мембранних процесів; недосконалість технології формування мембран, її складність та висока вартість. Крім того, стримуючим фактором є обмеженість, а в деяких випадках відсутність наукових досліджень сучасних типів мембран, процесів УФ-обробки біологічних рідин та практичних рекомендацій щодо їх промислового застосування. Узагальнення відомостей, викладених в цьому розділі, дозволило сформулювати основні задачі дослідження, спрямовані на досягнення мети дисертаційної роботи.

В другому розділі “Об'єкти, матеріали та методи досліджень” визначено об'єкти і предмети досліджень, надано характеристику вихідної сировини.

Наведено схеми та опис експериментальних установок для проведення досліджень - ультрафільтраційної установки напівперіодичної дії та лабораторної УФ установки на основі фільтруючого модуля з вібраційним турбулізатором. Запропоновано методики та наведено розрахункові формули визначення характеристик напівпроникних мембран - селективності, коефіцієнта усадки, продуктивності.

Дослідження процесу ультрафільтрації сколотин проводили: в тупиковому режимі - за загальноприйнятою методикою, в режимах з вібраційним перемішуванням та з пульсуючою подачею вихідної сировини - за методикою, що враховує запропоновані конструктивні особливості УФ пристроїв. В'язкість зразків досліджували методом ротаційної віскозиметрії, для визначення показників якості продуктів УФ розділення сколотин використовували стандартні методи. Обробку отриманих результатів досліджень проводили методами математичної статистики та кореляційного аналізу за допомогою стандартних пакетів програми Mathcad.

У третьому розділі “Дослідження ультрафільтраційних мембран типу ГР” проаналізовано вплив гідравлічних явищ на ефективність процесу ультрафільтрації біологічних рідин. Показано, що ефективність процесу ультрафільтрації залежить як від властивостей мембрани, так і від гідравлічної обстановки в потоці, який омиває фільтруюче середовище. Тому при проектуванні відповідного обладнання необхідними стадіями є як раціональний вибір мембрани, так і розрахунок параметрів процесу фільтрації за допомогою формул гідравліки.

Швидкість фільтрації (м/с) розраховували за формулою Пуазейля для потоку рідини крізь пористе середовище:

^, (1)

де - середній радіус пор у мембрані, м; - перепад тиску, МПа; n - число пор на одиницю площі поверхні мембрани; - динамічний коефіцієнт в'язкості фільтруючого середовища, Пас; L - товщина мембрани, м.

Втрати напору h (м) в зернистому фільтруючому матеріалі за умов ламінарного руху рідини знаходили з виразу:

. (2)

При цьому коефіцієнт розраховували за формулою:

^, (3)

де - коефіцієнт форми часток (зерен) матеріалу; П - пористість матеріалу мембрани; - кінематичний коефіцієнт в'язкості фільтруючого середовища, м²/с; d_з - середній діаметр часток (зерен), м; g - прискорення вільного падіння, м/с².

З метою запобігання утворення гель-шару на поверхні напівпроникної мембрани оцінювали товщину потоку рідини (м) над її поверхнею, де необхідно створити турбулентний рух, за формулою:

, (4)

де l - характерний розмір потоку рідини, м; Re - число Рейнольдса для турбулентного потоку, що омиває мембрану; - коефіцієнт гідравлічного тертя.

Для УФ модулей з гладкими стінками каналів значення розраховували за формулою Блазіуса:

. (5)

Досліджували характеристики напівпроникних мембран ГР61ПП та ГР81ПП, які є полісульфоновими мембранами другого покоління. В якості контролю використовували дані щодо аналогічних характеристик напівпроникних мембран Рипор 3 (контроль 1) та Рипор 4 (контроль 2). Дослідження початкової та дійсної продуктивності (рис. 1) мембран типу ГР показали, що лише через (1,5...2,0)60^-2с значення продуктивності стабілізується, що свідчить про ущільнення макропористої структури мембран. Було визначено коефіцієнт усадки мембран, значення якого складають для мембрани ГР61ПП 0,40...0,45, мембрани ГР81ПП - 0,20...0,25.

Визначено вплив параметрів водного дисперсійного середовища (тиск, температура, рН) на властивості дослідних УФ мембран. Встановлено, що з метою запобігання температурної усадки структури мембран процес УФ необхідно проводити за температури не більше 75...80⁰С.

Доведено, що в дослідному діапазоні тисків (до 1 МПа) для мембран типу ГР характерна наявність максимально припустимих значень тиску фільтрації - 0,7...1,0 МПа, за перевищення яких їх продуктивність майже не збільшується.

Визначені раціональні значення тиску, температури та рН водного дисперсійного середовища для УФ мембран типу ГР, що забезпечують їх надійну експлуатацію без зміни полімерної структури. Показано, що найбільш прийнятними режимами експлуатації мембран є тиск фільтрації 0,2...0,3 МПа, температура фільтрації 50...70⁰С, використання миючих, регенеруючих та дезінфікуючих засобів для мембран - із рН не менше 1.

В четвертому розділі “Дослідження процесових аспектів ультрафільтраційної обробки сколотин” досліджено процес ультрафільтрації сколотин та вплив на нього додаткових інтенсифікуючих засобів.

На підставі аналізу існуючих баромембранних процесів розділення біологічних рідин здійснено оцінку рівня концентраційної поляризації білка сколотин на поверхні напівпроникних мембран. Встановлено, що протягом перших 1,5...2,0 годин процесу УФ сколотин відбувається зміна пористості мембран типу ГР за рахунок блокування пор міцно закріпленими на їх поверхні частками білка сколотин.

Досліджені баричні, температурні, часові параметри процесу УФ сколотин. З метою запобігання утворення поляризаційного шару високомолекулярних сполук на поверхні напівпроникних мембран запропоновано проводити процес УФ сколотин з їх вібраційним перемішуванням над поверхнею мембрани та з пульсуючою подачею вихідної сировини.

залежність продуктивності напівпроникних мембран, що досліджувались, від тиску процесу УФ сколотин за різних режимів (температура сколотин 20⁰С). З графічних залежностей видно, що характер зміни продуктивності з підвищенням тиску за всіх трьох режимів ідентичний. Інтенсивне збільшення продуктивності мембран за тупикового режиму і режиму з вібраційним перемішуванням відбувається при підвищенні тиску до 0,4...0,5 МПа, за режиму із пульсуючою подачею вихідної сировини - до 0,5...0,6 МПа. В подальшому з підвищенням тиску продуктивність мембран зростає несуттєво. Застосування інтенсифікуючих засобів значно підвищує продуктивність процесу УФ сколотин. Так, за рахунок використання вібраційного турбулізатора продуктивність мембрани ГР81ПП порівняно з тупиковим режимом зростає на 120...125%, продуктивність мембрани ГР61ПП - на 71...76%; застосування пульсуючої подачі вихідної сировини підвищує продуктивність мембран відповідно на 60...62% та 40...44%.

Вплив температури та тривалості процесу УФ сколотин на продуктивність мембран типу ГР за різних режимів ультрафільтрації. Аналіз даних про вплив температури на ефективність процесу УФ сколотин свідчить, що з підвищенням температури до 40...50⁰С відбувається значний зріст продуктивності напівпроникних мембран. На ділянці від 50⁰С до 80⁰С продуктивність мембран також зростає, але незначно, що можна пояснити прихованою коагуляцією білка, внаслідок чого він осідає на поверхню мембран, ущільнюючи поляризаційний шар. Використання вібраційного перемішування при УФ сколотин за різних температур підвищує продуктивність напівпроникних мембран в середньому в 1,7...2,2 рази, використання пульсуючої подачі вихідної сировини - в 1,3...1,5 рази.

Вплив тривалості процесу УФ сколотин на продуктив- ність мембран типу ГР за різних режимів ультрафільтрації. Як свідчать отримані дані, за тупикового режиму протягом перших двох годин відбувається значне зменшення продуктивності мембран - на 36...40% для мембрани ГР81ПП та на 28..33% для мембрани ГР61ПП, що можна пояснити утворенням на їх поверхні поляризаційного шару високомолекулярних речовин. Декілька інший характер зміни продуктивності мембран спостерігається за режимів із вібраційним перемішуванням та із пульсуючою подачею вихідної сировини. При цьому також відбувається зниження продуктивності мембран, але в значно меншому ступені - на 13...14% та на 18...19% відповідно.

Визначали раціональні параметри інтенсифікуючи заходів процесу УФ сколотин - швидкості вібраційної турбулізації та частоти пульсуючої подачі вихідної сировини. Залежність впливу швидкості вібруючих потоків на продуктивність мембран типу ГР.

З графічних залежностей витікає, що характер зміни продуктивності як для мембрани ГР81ПП, так і для мембрани ГР61ПП ідентичний. А саме, зі збільшенням швидкості пульсуючих потоків спостерігається підвищення продуктивності мембран, але до певного значення U=1,5...1,7 м/с, після якого здійснюється стабілізація процесу і збільшення продуктивності відбувається незначно. Раціональним інтервалом частоти пульсуючої подачі за режиму УФ сколотин із пульсуючою подачею вихідної сировини є 90...100 хв^-1.

Було проведено оптимізацію процесу УФ сколотин за всіх досліджених режимів. Як приклад, оптимізацію технологічних параметрів процесу ультрафільтрації сколотин за режиму з вібраційним перемішуванням. Це дозволило отримати об'ємні графічні залежності, які характеризують означені процеси. Найбільш сприятливі параметри проведення процесів ультрафільтрації сколотин позначені на графічних залежностях відповідною штриховкою.

Однією із основних характеристик процесу УФ концентрування біологічних рідин є фактор концентрації , який показує, у скільки разів збільшився вміст білка в концентраті рідини після її ультрафільтраційної обробки порівняно із вихідною рідиною. Характер зміни у концентраті сколотин за різних режимів їх концентрування.

На підставі даних можна констатувати, що застосування передбачених конструктивних заходів дозволяє інтенсифікувати процес УФ розділення сколотин порівняно з УФ в тупиковому режимі в 2,0 рази за режиму із вібраційним перемішуванням та в 1,6 рази за режиму із пульсуючою подачею вихідної сировини.

У п'ятому розділі “Практична реалізація та впровадження результатів досліджень” наведено схеми УФ модулей для ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин, їх будову, принцип дії та технічні характеристики. Надано принципову схему технологічної лінії виробництва морозива з використанням запропонованих ультрафільтраційних модулей.

Здійснено комплекс заходів із впровадження результатів досліджень в практику. Дослідно-експериментальні зразки ультрафільтраційних модулей пройшли промислову апробацію в умовах ВАТ “Галактон”, м. Київ, комплект проектної документації на їх виробництво передано на АТВТ “Донецький завод “Продмаш”. Розроблені та затверджені рекомендації “Підвищення продуктивності промислових ультрафільтраційних установок при ультрафільтраційному розділенні сколотин та їх використання в технологіях м'якого морозива на молокопереробних підприємствах середньої та великої потужності”. Економічна ефективність від впровадження результатів досліджень складає 80,24 тис. грн. на рік.



ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу науково-технічної літератури, комплексних патентних досліджень було зроблено висновок про те, що використанню мембранних технологій в харчових галузях промисловості України перешкоджає відсутність комплексних наукових досліджень процесів мембранної обробки харчових систем, зокрема УФ, та їх апаратурного оформлення. Це зумовлює необхідність проведення досліджень технічних характеристик сучасних напівпроникних мембран, визначення раціональних параметрів технологічного процесу ультрафільтраційного концентрування окремих видів сировини, розробки невеликих за продуктивністю ультрафільтраційних модулей для забезпечення потреб харчових підприємств малої та середньої потужності.

2. Отримано відомості про структуру та властивості ультрафільтраційних мембран другого покоління типу ГР. Визначено вплив тиску, температури, рН середовища на продуктивність мембран, запропоновані найбільш раціональні баричні, температурні та хімічні параметри процесу ультрафільтрації з їх застосуванням. Встановлено, що величина коефіцієнта усадки мембран, який враховує нестабільність їх продуктивності в початковий період експлуатації, складає для мембрани ГР 61 ПП 0,40...0,45, для мембрани ГР 81 ПП - 0,20...0,25.

3. Доведено, що за швидкістю фільтрації, селективністю по білку і лактозі, іншими характеристиками мембрани типу ГР є перспективними для здійснення процесу УФ сколотин. Визначені раціональні технологічні параметри процесу УФ сколотин в тупиковому режимі. Встановлено, що робочий тиск процесу повинен дорівнювати 0,4...0,5 МПа, температура фільтрації - 40...50⁰С.

4. Підтверджено, що ефективність експлуатації ультрафільтраційних установок під час концентрування молочної сировини (сколотин) знижує утворення на поверхні напівпроникної мембрани поляризаційного шару високомолекулярних сполук. Запропоновано для запобігання утворення поляризаційного шару проводити процес УФ сколотин з їх вібраційним перемішуванням над поверхнею мембрани та з пульсуючою подачею вихідної сировини.

5. Визначені раціональні технологічні параметри процесу УФ сколотин з використанням заходів його інтенсифікації. Встановлено, що процес УФ сколотин з вібраційним перемішуванням необхідно проводити за значень тиску 0,4...0,5 МПа, температури 40...50⁰С, швидкості пульсуючих потоків 1,5...1,7 м/с; процес УФ з пульсуючою подачею вихідної сировини - за значень тиску 0,5...0,6 МПа, температури 40...50⁰С, частоти пульсуючої подачі 90...100 хв^-1. Доведено, що зазначені конструктивні особливості та технологічні режими дозволяють інтенсифікувати процес ультрафільтраційного концентрування сколотин порівняно з УФ в тупиковому режимі відповідно в 2,0 та 1,6 рази.

6. Розроблені дослідно-експериментальні зразки ультрафільтраційних модулей з плоскими фільтрувальними елементами: з вібраційним перемішуванням рідини над поверхнею мембран та з пульсуючою подачею вихідної сировини. Визначені основні техніко-економічні показники роботи модулей, створений комплект конструкторської документації на їх виробництво.

7. Здійснено комплекс заходів із впровадження результатів досліджень в практику. Дослідно-промислові зразки ультрафільтраційних модулей пройшли промислову апробацію в умовах ВАТ “Галактон”, м. Київ, комплект конструкторської документації на їх виробництво передано на АТВТ “Донецький завод “Продмаш”. Розроблені та затверджені практичні рекомендації “Підвищення продуктивності промислових ультрафільтраційних установок при ультрафіль- траційному розділенні сколотин та їх використання в технологіях м'якого морозива на молокопереробних підприємствах середньої та великої потужності. Економічна ефективність від впровадження результатів досліджень складає 80,24 тис. грн. на рік.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Теоретичний розгляд гідравлічних явищ під час ультрафільтрації // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. - Ч. 1. - Харків: ХДАТОХ, 2001. - С. 261-265.

Здобувачем проаналізовано гідравлічні явища під час ультрафільтрації, які впливають на рівень концентраційної поляризації високомолекулярних речовин на поверхні напівпроникних мембран.

2. Юдіна Т.І., Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Дослідження хімічного складу білкового концентрату сколотин, одержаного методом ультрафільтрації // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. - Вип. 7.- Донецьк: ДонДУЕТ, 2002. - С. 171-174.

Здобувачем досліджено хімічний склад УФ концентратів сколотин з різним фактором концентрації.

3. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Розробка промислового модуля для ультрафільтраційної обробки біологічних рідин // Науковий вісник Полтавського університету споживчої кооперації України. Серія “Технічні науки”. - 2002. - №3(7). - С. 66-68.

Здобувачем запропоновано принципову схему ультрафільтраційної установки для УФ обробки біологічних рідин.

4. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Розробка принципово нового промислового модуля для ультрафільтрації знежиреної молочної сировини (сколотин) // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. - Ч. 1. - Харків: ХДАТОХ, 2002. - С. 249-253.

Здобувачем розроблено промисловий ультрафільтраційний модуль з вібраційним перемішуванням рідини над поверхнею мембран.

5. Дейниченко Г.В., Мазняк З.А. Интенсификация ультрафильтрации пахты // Молочная промышленность. - 2003.- №6 - С.58-59.

Здобувачем запропоновано шляхи інтенсифікації і наведено раціональні параметри процесу ультрафільтрації сколотин.

6. Дейниченко Г.В., Поперечний А.М., Мазняк З.О. Спосіб концентрування білка із вторинної молочної сировини (сколотин) // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр.- Вип. 9.- Донецьк: ДонДУЕТ, 2003. - С. 92-96.

Здобувачем досліджено спосіб концентрування білка із вторинної молочної сировини (сколотин).

7. Деклараційний патент 54980 А Україна, МКВ В 01 D 61/00. Пристрій для ультрафільтрації біологічних рідин / О.І. Черевко, Г.В. Дейниченко, З.О. Мазняк, А.М. Поперечний, Т.І. Юдіна (Україна). - №2002064643; Заявл. 06.06.02; Опубл. 17.03.03, Бюл. №3. - 3 с.

Здобувачем практично втілено та випробувано промисловий ультрафільтраційний модуль з перфорованими вібруючими пластинами.

8. Деклараційний патент 55902 А Україна, МКВ В 01 D 61/00. Ультрафіль- траційний модуль з пульсуючою подачею вихідної сировини / Г.В. Дейниченко, З.О. Мазняк, А.М. Поперечний, А.М. Михайлова (Україна). - №2002075997; Заявл. 19.07.02; Опубл. 15.04.03, Бюл. №3. - 3с.

Здобувачем практично втілено та випробувано промисловий ультрафільтраційний модуль з пульсуючою подачею вихідної сировини.

9. Мазняк З.О. Ультрафільтраційна установка для концентрування знежиреної молочної сировини // Праці 67 Наук. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених НУХТ. - Ч. 2. - К.: НУХТ. - 2001. - С. 23.

Здобувачем надано опис УФ установки для концентрування знежиреної молочної сировини.

10. Поперечний А.М., Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Удосконалена ультрафільтраційна установка для мембранної обробки біологічних рідин // Праці Міжнар. наук.-техн. конф. “Актуальні проблеми харчування: технологія та облад- нання, організація і економіка”. - Слов'яногірськ: ДонДУЕТ. - 2001. - С. 88-89.

Здобувачем запропоновано шляхи модернізації апаратурного оформлення мембранної обробки біологічних рідин.

11. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Ультрафільтраційний модуль для згущення біологічних рідин // Праці VII міжнар. наук.-техн. конф. “Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення”. - К.: НУХТ. - 2001. - С. 163-164.

Здобувачем встановлено технічні характеристики ультрафільтраційного модуля з віброперемішуванням вихідної сировини.

12. Мазняк З.О. Дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування сколотин // Праці Міжнар. наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості”. - Ч. 2. - К.: НУХТ. - 2002. - С. 35.

Здобувачем досліджено вплив тиску на швидкість концентрування сколотин та фактор концентрації.

13. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О., Єфімова В.О. Промисловий ультрафільтраційний модуль із роликовою системою регулювання подачі первинної сировини // Праці IX міжнар. наук.-практ. конф. “Машиностроение и техносфера XXI века”. - Донецьк: ДНТУ. - 2002. - С. 180-183.

Здобувачем запропонований промисловий ультрафільтраційний модуль із роликовою системою регулювання сировини.

14. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Про баромембранні методи розділення молочної сировини // Праці Міжнар. наук.-метод. конф., присвяченої 35-річчю ХДАТОХ “Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі”. - Харків: ХДАТОХ. - 2002. - С. 181-182.

Здобувачем розглянуті особливості окремих баромембранних методів розділення молочної сировини.

15. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О. Визначення оптимального температурного режиму при ультрафільтраційному концентруванні сколотин // Праці Міжнар. наук.-техн. конф. “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка”. - Святогірськ: ДонДУЕТ. - 2003. - С. 80-82.

Здобувачем визначено оптимальний температурний режим при ультрафільтраційному концентруванні сколотин.

Размещено на Allbest.ru

...