Прикладна реологія та інтенсифікація процесів харчових виробництв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ПРИКЛАДНА РЕОЛОГІЯ ТА ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ

Гуць Віктор Степанович

Київ - 1999

Анотація

Гуць В.С. Прикладна реологія та інтенсифікація процесів харчових виробництв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук із спеціальності 05.18.12 - процеси та апарати харчових виробництв, Український державний університет харчових технологій, Київ, 1999.

У роботі розвинуто і доповнено новими положеннями теорію прикладної реології харчових продуктів. Розроблено нові методи і прилади дослідження реологічних властивостей рідких і твердоподібних дисперсних систем. Запроповано реологічний системний підхід до побудови математичних моделей процесів харчових виробництв. Виведено диференціальні рівняння, що описують процес деформування рідких і твердоподібних дисперсних систем, виконано аналітичні дослідження математичних моделей механічних, гідромеханічних і спеціальних процесів харчових технологій, експериментально підтверджено адекватність їх реальним процесам. Запроповано нові способи і обладнання для розділення неоднорідних дисперсних систем харчових продуктів та механічного оброблення м'яса. Наведено дані про ефективність виконаних досліджень, і результати їх практичного використання.

Ключові слова: математичне моделювання, реологія, процеси, технологічне обладнання, механічне оброблення м'яса, центрифуга.

харчовий продукт механічний

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В сучасному харчовому виробництві невирішеними залишаються важливі питання, в яких розглядаються актуальні проблеми прикладної реології. Передусім це стосується теоретичних розробок, коли навантаження дисперсних систем відбувається в імпульсному режимі, а також в режимі змінних напружень і швидкостей. Дотепер немає науково обгрунтованого підходу до побудови математичних моделей технологічних процесів, що враховував би в достатній мірі структурно-механічні властивості продукту, а це призводить до значної кількості помилок в розрахунках. Тому розвиток і вдосконалення теорії прикладної реології харчових виробництв слід вважати актуальною науковою проблемою, яка потребує якнайшвидшого вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Наукові дослідження виконано згідно з планом комплексних науково-технічних програм: РН.38.10 - "Створити і освоїти в харчовій промисловості нові технологічні процеси і комплекси обладнання, заводи, цехи з високим ступенем автоматизації і програмним керуванням, що забезпечують комплексне використання сировини і збільшення виходу готової продукції без збільшення кількості перероблюваної сировини, раціональне використання енергії і водних ресурсів і значне підвищення продуктивності праці" /затверджена Постановою Держплану УРСР від 28.01.81 р., № 4/; РН.38.10.02.02 "Удосконалення апаратурно-технологічних схем перероблення масложирової сировини, відходів і очищення стоків з метою створення малостічного і маловідходного виробництва"; програмою науково-технічної діяльності науково-виробничого об`єднання Київм`ясо; планами госпдоговірної тематики УДУХТ. Виконані наукові дослідження пов'язані з тематикою лекційних курсів: загальні методи інтенсифікації технологічних процесів харчових виробництв; оптимізація і моделювання технологічних процесів харчових виробництв; основи наукових досліджень; технологія та обладнання харчових виробництв; технологічне обладнання підприємств м'ясної промисловості.

Мета роботи полягає у розвитку і вдосконаленні теорії прикладної реології, її практичному використанні у дослідженні і моделюванні структурно-механічних властивостей харчових продуктів, механічних, гідромеханічних і спеціальних процесів харчових технологій, а також у розрахунках технологічного обладнання.

Задачі роботи, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:

- виконати аналітичні дослідження реологічних моделей дисперсних систем;

- розробити нові установки, аналітичні та експериментальні методи дослідження реологічних властивостей харчових продуктів, визначення характеристик механічних, гідромеханічних і спеціальних процесів харчових виробництв;

- дослідити структурно-механічні властивості рідких і твердоподібних харчових продуктів, отримати нові реологічні моделі, встановити зв'язок між реологічними характеристиками і режимами механічного, вакуумного, вакуум-циклічного і вакуум-механічного оброблення м'яса, а також показником якості харчових продуктів - консистенцією;

- розробити системний реологічний підхід до побудови математичних моделей і виконати моделювання: осадового центрифугування харчових суспензій, фільтрування фугату, механічного, вакуумного і вакуум-механічного оброблення м'яса;

- розробити нові ефективні способи та обладнання для розділення неоднорідних харчових суспензій і механічного оброблення м'яса.

Наукова новизна і теоретична цінність досліджень полягає в тому, що:

- розроблено теоретичні основи імпульсного деформування м'яса. Виконано моделювання деформування харчових дисперсних систем в умовах постійних, а також змінних у часі за лінійними і нелінійними законами напружень і швидкостей деформування. При різних режимах деформування аналітичним шляхом визначено питому роботу і потужність, які запропоновано використовувати як характеристики ефективності деяких механічних і спеціальних процесів харчових виробництв;

- вдосконалено існуючі й розроблено нові методи і приклади дослідження реологічних властивостей харчових продуктів, які дають змогу проводити дослідження у звичайних умовах, в умовах вакууму і високого тиску, як в стаціонарному, так і в дискретному режимах деформування, включаючи імпульсний;

- досліджено реологічні властивості рідких і твердоподібних харчових продуктів (даних про яких немає або вони мають неконкретний чи сумнівний характер): м'ясної нехарчової і жирової шквари; жирової емульсії; пектинового екстракту; неподрібненого м'яса. Побудовано реологічні моделі та обчислено значення реологічних коефіцієнтів, встановлено характер змін їх за різних режимів деформування, а також за умови високого тиску і глибокого вакууму. Виявлено ефект різкого падіння граничної напруги зсуву на початку кипіння концентрованих харчових суспензій у вакуумі;

виконано аналітичні дослідження розділення центрифугуванням неоднорідних харчових суспензій, що стискаються. З використанням системного реологічного методу отримано математичні моделі, які описують основні його етапи: осадження частинок дисперсної фази, ущільнення і вивантаження осаду, торцевого фільтрування фугату. Проведено аналіз кожного етапу, розкрито їх механізм залежно від типу центрифуги, її конструктивних особливостей, режимів центрифугування і структурно-механічних властивостей суспензії;

- розроблено нові методи й експериментальні установки дослідження процесу центрифугування харчових суспензій різних видів. Проведено експериментальні дослідження осадового, фільтрувального і комбінованого режимів центрифугування м'ясної шквари, встановлено механізм її розділення;

- досліджено процес деформування м'яса і класифіковано способи його механічного оброблення. Отримано математичні моделі і визначено показники, що характеризують ефективність м'якого масажування, масажування і тендеризації м'яса. Запропоновано оцінювати ефективність масажування і визначати консистенцію м'ясних продуктів шляхом порівняльного аналізу числових значень реологічних коефіцієнтів та енергетичних характеристик процесу деформування.

Наукові положення, які виносяться на захист:

- аналіз і узагальнення методів моделювання реологічних властивостей харчових продуктів, нові реологічні моделі, способи визначення реологічних коефіцієнтів дисперсних систем з в'язко-пружними властивостями;

- системний реологічний підхід до побудови математичних моделей і розробка нових напрямів практичного використання прикладної реології в дослідженні й моделюванні процесів харчових виробництв;

- результати досліджень реодинамічних процесів одержані із застосуванням диференціальних рівнянь, що описують механізм деформування дисперсних систем в умовах постійних і змінних за часом напружень і швидкостей деформування;

- нові методи й установки для дослідження реологічних властивостей харчових продуктів різних видів. Результати експериментальних та аналітичних досліджень реологічних властивостей м'яса і м'ясних продуктів, значення реологічних характеристик, результати їх застосування для аналізу, розрахунків параметрів оптимізації і визначення ефективності процесів харчових виробництв;

- математичні моделі механічних, гідромеханічних і деяких спеціальних процесів харчових виробництв, результати аналітичних та експериментальних досліджень розділення неоднорідних суспензій центрифугуванням, осадженням, фільтруванням, а також механічного, вакуум-механічного та імпульсного оброблення м'яса;

- інтенсивні способи оброблення харчових продуктів і конструкції технологічного обладнання, в основу яких покладено нові наукові результати, що підтверджено авторськими свідоцтвами і патентами.

Практична значимість результатів роботи полягає в тому, що:

- запропоновано новий принцип класифікації центрифуг, що використовуються в харчовій промисловості;

- розроблено нові конструкції центрифуг. Визначено ефективні режими знежирення м'ясної шквари і розділення пектинової суспензії центрифугуванням;

- виконано розрахунки процесів масажування і тендеризації м'яса. Встановлено режими механічного, вакуумного і вакуум-механічного оброблення м'яса, які дають змогу досягти потрібного ефекту пом'якшення і насичення його розсолом під час соління. Розроблено спосіб соління м'яса (А. с. № 1521426), пристрій для його масажування (А. с. № 1607098), технічну документацію на виробництво варених (ТІ № 25589525.02.98) і напівкопчених ковбас (ТІ № 25589525.01.98);

- інтенсифіковано процес і розроблено обладнання для розділення водожирових суспензій. Визначено характеристики фільтрів, виготовлених на основі синтетичних і базальтових волокон, наведено рекомендації щодо їх використання;

- розроблено нові конструкції фільтра (А. с. № 1567247) і жировідділювача (А. с. № 1204635), а також спосіб виготовлення хлібобулочних і кондитерських виробів із застосуванням глибокого вакууму (патент № 93007690);

- модернізовано технологічну лінію перероблення відходів м'ясного виробництва на сухі тваринні корми і жир. Виконано розрахунки трас трубопроводів ЦТФ на Тернопільському, Кам'янець-Подільському і Керченському м'ясокомбінатах. Розроблено гідровідцентровий спосіб знежирення шквари (А. с. № 1650254), внесено зміни в конструкції вузлів центрифуг. Новизну виконаних розробок підтверджено авторськими свідоцтвами: № 147233, № 506435, № 556760.

Впровадження результатів роботи здійснено більше ніж на 25 підприємствах харчового виробництва.

Економічний ефект від впровадження результатів виконаних досліджень завдяки інтенсифікації процесів харчових технологій і використанню нового, а також модернізованого обладнання становить понад 200000 карбованців у цінах 1990 року. Економічний ефект від впровадження інтенсивних методів механічного оброблення м'ясної сировини і розроблення на цій основі нових технологій виготовлення ковбасних виробів є комерційною таємницею власника розробок фірми "Укр-Соя-Групп".

Особистий вклад автора в роботах, надрукованих у співавторстві, полягає: в постановці ідеї та завдання роботи; розробленні експериментальних і аналітичних методів досліджень; одержанні моделей і їх аналізі; формулюванні висновків та узагальненні пропозицій; одержанні вихідних даних для розроблення технологій, проектування технологічного обладнання й інтенсифікації технологічних процесів; організації, виготовленні, впровадженні та авторському супроводі розробок.

Апробація роботи. Основні результати роботи були предметом доповідей та обговорень на наукових конференціях УДУХТ (Київ, 1972-1998), на IX Міжнародній конференції "Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв. Гідромеханічні процеси, частина 1" (Одеса, 1996),на Всесоюзних конференціях: "Розроблення комбінованих продуктів харчування - апаратурне оформлення, оптимізація" (Кемерово, 1991), "Вчені та спеціалісти в розв'язанні соціально-економічних проблем країни" (Ташкент, 1991), "Теоретичні й практичні аспекти використання методів інженерної фізико-хімічної механіки з метою удосконалення та інтенсифікації технологічних процесів харчових виробництв" (Москва, 1990), "Електрофізичні методи оброблення харчових продуктів та сільськогосподарської сировини" (Москва, 1989), "Якість сировини м'ясної промисловості..." (Москва, 1990) та ін.

Публікації. Зміст роботи відображено в 74 наукових працях, в т. ч. в 28 статтях, та в 34 тезах доповідей на конференціях, у 7 авторських свідоцтвах, одному патенті, й інформаційному листку типовій методиці та двох ТІ.

Структура роботи. Робота складається зі вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаної літератури та додатку; викладена на 293 сторінках основного тексту; містить 119 рисунків і 6 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі: розглянуто стан проблеми; обгрунтовано наукову і практичну актуальність дисертаційної роботи, мету роботи і конкретні завдання, які потрібно вирішити для її здійснення; наведено об'єкти досліджень; показано наукову новизну результатів та їхню практичну цінність.

Реологія є одним із розділів фізико-хімічної механіки, що швидко й динамічно розвивається. Під дією зовнішніх і внутрішніх факторів, насамперед тиску, вакууму, температури, а також при взаємодії робочих органів машини з харчовими продуктами останні деформуються. В них виникає напруження, що спричиняє повне або часткове руйнування внутрішньої структури продукту і, як наслідок, зміни його фізико-хімічних властивостей. Ці зміни впливають на енергетичні параметри деформування, якість продукту, його кількість та інші показники технологічного процесу.

У першому розділі роботи дано характеристику дисперсних систем харчових продуктів, основних методів і техніки експериментальних досліджень реологічних систем, наведено результати аналітичних досліджень процесу деформування.

Харчові продукти розглядаються як складні дисперсні системи, структурно-механічні властивості яких залежать від об'ємного співвідношення дисперсної фази і дисперсійного середовища, характеру і міцності зв'язку між ними, а також від характеру і міцності зв'язку дисперсних частинок між собою. Причому характер взаємодії між частинками є функцією хімічного складу, температури, ряду інших технологічних факторів, а також, що дуже важливо, способів і режимів деформування. Встановлено, що вплив способів і режимів деформування в сучасній теорії математичного моделювання процесів харчових виробництв практично не враховується, або, в кращому випадку, враховується частково і без належного системного підходу, що призводить до значних похибок у розрахунках. В першу чергу це стосується твердоподібних дисперсних систем.

Аналітичними дослідженнями визначено основні види диференціальних рівнянь, що описують поведінку харчових продуктів під час деформування. Ці рівняння включають реологічні характеристики у вигляді коефіцієнтів чи їх комплексів. Формування цих комплексів згідно з доцільністю і можливістю їх ефективного практичного використання в харчовій технології розглядається в роботі як складова розвитку теорії прикладної реології.

Аналіз існуючих приладів і методів визначення реологічних властивостей харчових продуктів різних видів засвідчив недосконалість багатьох з них, тому для проведення досліджень використовували як існуючі методи і прилади, так і нові. Експериментальні визначення зсувних властивостей рідких харчових продуктів проводили на капілярних і ротаційних віскозиметрах, в конструкцію яких були внесені зміни, що дало змогу витримувати задані програмою досліджень режими зміни тиску і швидкості деформування. Дослідження в умовах високого тиску проводили на модернізованому консистометрі КЦ-3, а у вакуумі - на вакуумному ротаційному віскозиметрі нової конструкції. Для дослідження об'ємного деформування харчових продуктів було розроблено оригінальні прилади та установки: гідростатичний компресійний прилад, який використовували для об'ємного стискування; вакуумну установку, яку використовували для об'ємномного розтягування зразка. Нові методи і нові конструкції реологічних приладів значно розширили можливості виконання досліджень, дали змогу вперше дослідити реологічні властивості дисперсних систем харчових продуктів в умовах глибокого вакууму і високого тиску, в стаціонарному і дискретному режимах деформування.

Аналітичними дослідженнями встановлено, що залежно від властивостей продукту, а також характеру дії зовнішніх зусиль процес деформування можна описати диференціальними рівняннями різного ступеня складності. Ці рівняння мають беззаперечну наукову і практичну цінність, але більшість з них прив'язані до конкретного технологічного процесу і не дають змоги описати в узагальненому вигляді цілі групи однотипних реодинамічних процесів. Особливо це стосується процесів, що здійснюються в режимі імпульсного деформування.

У роботі виконано класифікацію основних реологічних моделей харчових продуктів з урахуванням їхньої консистенції і виду дисперсних систем (табл. 1). Рівняння (1) - (12) є основними. Вони описують реодинамічний процес у випадках, коли напруження деформування не перевищує критичного значення, при якому руйнується цілісність продукту і він розпадається на окремі частки. Рівняння (7), (8), (9), (11), (12) отримано вперше на основі аналітичних і експериментальних досліджень деформування дисперсних систем харчових продуктів.

В роботі виконано аналітичні дослідження реологічних моделей при різних режимах деформування. Знайдено потрібні параметри для розрахунків технологічного обладнання, інтенсифікації технологічних процесів, а також визначення оптимальних і наближених до них режимів механічних, гідромеханічних і спеціальних процесів харчових технологій. Як фактор, що найповніше характеризує процес деформування системи з в'язко-пружно-пластичними властивостями, запропоновано використовувати енергетичний параметр. Аналітичним способом побудовано математичні моделі, які дають змогу визначати роботу деформування і її похідну в часі - потужність. Виконано аналіз цих математичних моделей.

Таблиця 1.

Консистенція	Вид дисперсної системи	Реологічна модель	Прилади вимірювання реологічних характеристик	Режими деформування
Рідка	Структурована рідина (кров, бульйон, жирова емульсія)	Оствальда-де-Вілі =кn; (1) Гершеля-Балклі =0+к1 (2)	Віскозиметри: капілярні, рота-ційні, кулькові, проточні; плас- тометри; здвигометри;	(t)=const; (t)=а0+а1t; (t)= а0+а1t+ +a2t2; (t)=а0еt;
Перехідна	Текучі системи некліткової будови (фарш варених ковбас, жирна шквара, хлібопе-карське тісто)	Ньютона =еф; (3) Шведова-Бінгама =0+пл. (4)	Пенетрометри; прилади розтягування і стискання; вібро-віскозиметри; маятниковий віскозиметр	(t)=const; (t)= b0+b1t; (t)=b0+b1t+b2t2; (t)= b0еt.
	Концентровані системи некліткової будови (знежирена шквара, фарш сирокопчених ковбас, осад пектинового екстракту)	Кельвіна =c +; (5) Лесерсіча = =; (6) Нелінійні тіла ; (7) =с; (8) =с; (9)	Здвигометри, пластометри, пенетрометри, прилади. Розтягуванняі стискання; датчики. Деформації; п'єзокварцеві акселерометри
Твердо-подібна	Системи кліткової будови чи їхні аналоги (м'ясо, ковбасні вироби, хліб)	(10) (11) (12) = f(x) - функція зв'язку

У другому розділі наведено результати експериментальних досліджень реологічних властивостей харчових продуктів, на основі яких визначено реологічні коефіцієнти і побудовано реологічні моделі: м'ясної нехарчової і жирової шквари, жирової емульсії і пектинового екстракту.

Разом з М.Г. Тульчевським і П.М. Кандибком отримано реограми м'ясної нехарчової шквари вологістю 45 %, 38, 32 і 25 %. Аналіз кривих течії засвідчив, що в разі досягнення напруження зсуву, вищого за граничне, має місце нелінійна залежність між напруженням зсуву і градієнтом швидкості. В цьому випадку система переходить до течії в режимі руйнування і часткового відновлення структури. Із реограм знайдено значення реологічних коефіцієнтів і потрібні для виконання розрахунків трубопроводів залежності пластичної в'язкості _пл, граничного напруження зсуву ₀ та ефективної в'язкості _еф від вологості та температури шквари.

Експериментальними дослідженнями встановлено характер впливу на реологічні властивості жирової шквари, її склау.

У процесі механічного оброблення м'ясна нехарчова і жирова шквари зазнають дії значного надлишкового тиску і вакууму. Одержані експериментальні дані свідчать, що в цьому випадку значення реологічних коефіцієнтів змінюються відповідно до інтенсивності ущільнення продукту. З підвищенням тиску граничне напруженням зсуву зростає швидше для продуктів з більшим вмістом дисперсної фази (низька вологість). і чим вища її концентрація, тим сильніше виявляється це збільшення. Для жирової шквари підвищення тиску понад Р=2010⁵ Па практично не впливає на граничне напруження зсуву.

Влив вакууму на реологічні характеристики рідких харчових продуктів досліджували на ротаційному віскозиметрі. Експерстально встановлено, що із збільшенням глибини вакууму граничне напруження зсуву ₀ зменшується і при досягненні вакууму Рв=1,510³ Па спостерігається різке зменшення напруження зсуву як для жирової, так і для м'ясної нехарчової шквари. Із збільшенням

швидкості деформування ефективна в'язкість також зменшується, що характерно для більшості рідких харчових продуктів. Якщо шквара перебуває у вакуумі, то ефективна в'язкість приблизно в 1,5 раза менша, ніж при атмосферному тиску. На ефективну в'язкість шквари значно впливає також її склад, залежно від якого в'язкість може змінюватися в 4-5 раз.

Ефективна в'язкість пектинового екстракту та жирової емульсії залежить від вмісту вологи в суспензії і температури. З підвищенням температури ефективна в'язкість зменшується. Для жирової емульсії із збільшенням вмісту вологи характер змін залежить від стійкості і виду емульсії, що утворюється, - жир у воді чи вода у жирі.

Коли харчові продукти мали високу в'язкість і утворювали конденсаційно-кристалізаційні структури з характерним каркасом відповідної міцності й пружності, наприклад, як у неподрібненого м'яса, то реологічні характеристики визначали розтягуванням чи стисканням зразка. В тих випадках, коли продукт під час розтягування швидко руйнувався (слабкий каркас), їх визначали компресійними методами шляхом об'ємного стискання зразка або використовували спеціальні методи досліджень.

Експериментально досліджено компресійні властивості попередньо знежирених центрифугуванням м'ясної нехарчової і жирової шквар, а також дисперсної фази пектинової суспензії, отриманої після механічного розділення яблучного гідролізату в шнековому зневоджувачі.

Аналіз проведених експериментальних досліджень засвідчив, що механізм процесу деформування реальних харчових продуктів відрізняється від класичного. На кривій кінетики деформування = (t) немає відрізків миттєвої пружної деформації. Це свідчить про те, що в реальних реологічних тілах під дією зовнішнього напруження поступово порушуються молекулярне і міжмолекулярне силові поля системи, що призводить до накопичення відповідної кількості потенціальної енергії та інших енергетичних змін, наприклад нагрівання продукту, а також до поступового його деформування, коли прикладених зусиль недостатньо для повного руйнування структури. Під час деформування харчових продуктів дія зовнішніх сил врівноважується внутрішнім напруженням системи, а після їх зняття система повільно відновлюється і розвантажується.

Компресійні дослідження показали, що більшу відносну деформацію з усіх досліджених продуктів при інших рівних умовах має жирова шквара. Всі досліджені продукти максимально деформуються в перші 10 с після прикладення зусиль, а потім деформація збільшується незначно і становить близько 5-10 % від початкової. Після зняття навантаження час релаксації напруження становить 3-5 с.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що на компресійні характеристики впливають способи деформування і форма зразка. Із збільшенням діаметра зразка відносна об'ємна деформація зростає, а її залежність від висоти зразка має складніший характер, ніж залежність від діаметра. Спочатку із зростанням висоти зразка відносна деформація збільшується, а потім зменшується.

У другому розділі наведено також результати експериментальних досліджень реологічних властивостей неподрібненого м'яса. Під час автолітичного визрівання його реологічні властивості змінюються. Знання пружно-пластичних властивостей м'яса має велике практичне значення, тому що дає змогу керувати технологічними процесами й інтенсифікувати виробництво м'ясних продуктів багатьох видів. Встановлено залежність величини реологічної характеристики =с/ від часу визрівання м'яса. Максимального значення реологічний коефіцієнт досягає через 20-24 години після забою тварини: = 1,210-² с-¹. З часом його значення зменшується і після 100 годин = 5,810^-3 с-¹.

Використання коефіцієнта у моделюванні механічних процесів м'ясного виробництва дає змогу враховувати біохімічні зміни, які відбуваються в м'ясі після забою тварини. Цей коефіцієнт рекомендовано застосовувати також як непрямий показник якості м'яса при визначенні його кулінарних властивостей.

Щоб дослідити реологічні властивості м'яса в шматках, напівтушах чи відрубах, використовували метод, розроблений разом з О.А. Коваль, який дає змогу визначити реологічні характеристики без руйнування зразка, вимірюючи параметри пружних хвиль деформації, що виникають у продукті під дією силового імпульсу. Вимірювання проводили за допомогою п'єзокварцевих акселерометрів, датчиків тиску та інших приладів, які були розроблені в інституті Геофізики АН України для дослідження деформації грунтів, конструкційних і полімерних матеріалів у разі удару чи вибуху. Експериментально отримано кінетичну криву прискорення d²/dt²=f(t) пружної хвилі деформації для яловичини показано на рис. 1.

Реологічні коефіцієнти визначали використовуючи рівняння (10), записане у вигляді

m+c+ = 0,

де m - зведена маса;

і с - реологічні коефіцієнти, ( = 2mn; с = mp²,

n =

Якщо функціональну залежність =f(t) зображено графічно, наприклад на екрані осцилографа,то коефіцієнт простіше визначити за формулою:

,

де а₁, а₂ - амплітуди коливань;

Т - тривалість одного циклу коливань (приблизно дорівнює періоду).

Розроблений метод застосовано для визначення ефективності механічного оброблення м'яса. З його допомогою розраховано реологічні коефіцієнти яловичого м'яса до і після механічного оброблення його в різних масажерах. Залежність реологічної характеристики - узагальненого реологічного коефіцієнта =с/_м - від часу механічного оброблення в барабанному масажері Я5-ФБЖ/1, у барабанному масажері з тендеризуючою поверхнею та у вакуум-циклічній установці показано на рис. 2.

У разі, коли процес деформування м'яса описується диференціальним рівнянням (6), реологічні коефіцієнти визначали, використовуючи експериментально-аналітичним методом

Досліджені в другому розділі рівняння систематизовано і рекомендовано для практичного використання при моделюванні механічних, гідромеханічних і спеціальних процесів харчових технологій, а також у розрахунках і конструюванні технологічного обладнання: центрифуг, фільтрів, масажерів, технологічного трубопроводу.

У третьому розділі розглянуто питання практичного використання реологічних моделей харчових дисперсних систем при математичному моделюванні осадового центрифугування. Математичні моделі отримано аналітично на основі системного реологічного методу.

Реальне осадове центрифугування харчових суспензій відрізняється від класичного своєю складністю. З урахуванням результатів експериментальних досліджень його запропоновано розглядати таким, що включає етапи, які впливають на ефективність розділення: осідання дисперсної фази і утворення осаду; ущільнення осаду; виведення рідкої фази; вивантаження осаду. Якщо врахувати реологічні властивості суспензій, то математичне моделювання кожного із указаних вище етапів значно ускладнюється.

У роботі досліджено кожний етап осадового центрифугування і, залежно від прийнятої реологічної моделі, виведено диференціальні рівняння різного ступеня складності. Прості, які описують процес у ширшому діапазоні припущень і відповідно дають менш точний кінцевий результат, і складніші, що дають можливість отримати досить точний результат, але для свого розв'язку потребують застосування числових методів і обчислювальної техніки.

У розділі наведено математичні моделі, що описують процес осадження органічних частинок, які стискаються за умови дії на них гравітаційного і відцентрового силових полів, коли сила опору пропорційна швидкості, а також квадрату швидкості осідання. Якщо органічна частинка осідає у відцентровому силовому полі і її швидкість велика, то рівняння руху має такий вигляд:

Якщо треба одержати розв'язок рівняння у квадратурах, то виникають значні труднощі, тому задачу було спрощено і для практичного використання запропоновано простіші рівняння.

Ці рівняння описують процес осадження, коли реологічні властивості частинок описуються рівнянням Кельвіна (5). Задача значно спрощується, якщо за реологічну модель взяти рівняння Гука, і ускладнюється, якщо за таку модель взяти трипараметричну в'язко-пружну модель у вигляді рівняння (6). Якщо враховувати пружну деформацію у вигляді запропонованого модифікованого рівняння Гука =с^к або отриманих на цій основі рівнянь (8) і (9), то матимемо математичні моделі процесу осадження, які теж становлять практичний інтерес. Їх доцільно використовувати при оптимізації процесу осадового центрифугування і виконанні розрахунків центрифуг, а також іншого обладнання для розділення неоднорідних дисперсних систем.

На процес осадження значно впливає режим завантаження центрифуги. В цьому випадку для одержання достовірного результату враховували початкову швидкість частинки і силу Каріоліса. В роботі наведено математичні моделі, що описують процес осадження в такому випадку.

Аналітичними та експериментальними дослідженнями встановлено, що в разі осадовового центрифугування концентрованих харчових суспензій осідання частинок дисперсної фази має короткочасний характер або його немає зовсім. Тому основним процесом, що в даному випадку впливає на ефективність розділення, є ущільнення осаду. В теорії осадового центрифугування його розглядають як фільтраційний процес, зумовлений течією рідини крізь порову систему, що стискається. Взявши за основу класичну теорію ущільнення осаду у відцентровому силовому полі, з урахуванням реологічних властивостей осаду дістали рівняння, яке описує швидкість фільтрації (віджиму) рідини:

де Р_z(t) - тиск у каркасі осаду; h₁ - початкова товщина осаду.

При початкових умовах, коли (0)=0, після спрощень дістанемо таке рівняння кінетики ущільнення осаду:

.

Відповідно швидкість ущільнення осаду можна розрахувати, використовуючи рівняння

Рівняння (15) і (16) дають змогу визначити оптимальні чи близькі до них режими центрифугування. У разі центрифугування суспензій, що стискаються, коефіцієнт проникності k_пр зменшується. Встановлено, що для концентрованої пектинової суспензії k_пр = -¹, для жирової шквари і сирної маси k_пр = k₁е-, а для м'ясної нехарчової шквари k_пр = k₁-.

Підставивши залежність k_пр = f() у рівнянні (14) і спростивши його, дістали відповідні математичні моделі осадового центрифугування:

концентрованої пектинової суспензії;

жирової шквари і сирної маси t = ln (|-1| | 2с - ²r_срh_пр|⁾ - ln | ²r_срh_пр,

м'ясної нехарчової шквари

Аналіз останніх двох рівнянь показує, що аналітичне зведення їх до явного вигляду = f(t) і подальше визначення швидкості центрифугування потребує складних математичних перетворень і значних спрощень, тому для практичного використання рекомендовано числові методи їх розв'язання.

Заключним етапом осадового центрифугування є вивантаження осаду і фугату з ротора центрифуги. Якщо розвантажують центрифугу ножовим пристроєм, то виникає гостра проблема в розробленні таких конструкцій вивантажувачів, які забезпечили б напрямлений його рух з достатньою для подальшого транспортування швидкістю. Якщо осад має виражені пружні властивості, зрізається тонким шаром, а ротор обертається з постійною, або близькою до неї швидкістю ₀=const, то дістанемо диференціальне рівняння руху в полярних координатах, яке має вигляд

J₁+ c( - ₀t)+ F() R=0,

де J₁ - момент інерції осаду відносно осі обертання центрифуги;

- кут обертання осаду на поверхні зрізу;

F() - сила опору ножа;

R - радіус шару, що зрізається.

Відповідно, якщо разом з пружними властивостями враховувати і в'язкі, то

J₁++ c(- ₀t)+ F() R=0

Аналітичними дослідженнями рівнянь (17) і (18) встановлено, що ножовий пристрій коливається в постійному стаціонарному режимі з амплітудою а, яка в першому випадку дорівнює . У другому випадку, якщо осад має виражені в'язко-пружні властивості, амплітуда коливань буде

.

Тобто можна вважати, що під час зрізання осаду виникають коливання, які зумовлюють розрив суцільності потоку і подрібнення осаду на шматки. Виникнення коливань сприяє вібрації корпусу центрифуги і збільшенню інтенсивності шуму, що може призвести до руйнування будівельних конструкцій і самої центрифуги. Тому одержані рівняння доцільно використовувати в розрахунках амортизуючих пристроїв та інших технічних засобів, що забезпечують зменшення негативної дії вібрації.

Враховуючи, що сучасні конструкції ножових пристроїв як горизонтальних, так і вертикальних центрифуг мають криволінійну поверхню, і така поверхня є найбільш придатною для здійснення спрямованого руху осаду, разом з О.А. Глонь і С.І. Резніковим досліджено кінетику руху частинок масою m по криволінійній поверхні, радіус кривизни якої дорівнює .

Якщо на осад діють сили тяжіння, тертя і опору, пропорційні швидкості, то диференціальне рівняння руху частинки має вигляд:

У загальному вигляді знайти аналітичний розв'язок рівняння (19) складно, тому задачу простіше розв'язувати числовими методами.

Аналіз елементів траєкторії руху осаду по поверхні ножового пристрою виконано на основі рівняння Лагранжа -го роду. Для руху частинки по криволінійній поверхні з урахуванням сил опору і тертя виведено відповідні диференціальні рівняння. Виконано їх аналіз, визначено траєкторію і оптимальну швидкість руху осаду. За умови, що h(0) = h₀, (0) = 0, v_h(0) = 0, v(0) = R, швидкість руху v_h= f (t) має екстремум при t = t. Залежності швидкостей руху осаду від часу в кутовому v і лінійному v_h напрямах зображено графічно на рис. 3.

Результати досліджень рекомендовано використовувати при проектуванні нових механічних ножових пристроїв з криволінійною робочою поверхнею. Останні дають змогу виконувати спрямоване вивантаження осаду із ротора як горизонтальних, так і вертикальних центрифуг. Для розрахунків і конструювання центрифуг швидкість обертання ротора, його розміри, а також форму і розміри ножового пристрою треба вибирати такими, щоб швидкість v_h руху осаду по поверхні ножа в напрямку твірної в момент виходу із центрифуги була наближена до максимуму, що відповідає часу t.

У третьому розділі наведено також результати дослідження процесу виведення фугату з ротора фільтруванням його крізь торцеву поверхню.

Вперше виведено диференціальні рівняння, які описують процес у випадках, коли торцева поверхня ротора має перфорацію (рис. 4) досить великими отворами, тобто з малим гідравлічним опором, і фільтрувальну перегородку з великим гідравлічним опором, як у центрифузі ФПН-1001У-04

У випадку, коли торець ротора перфорований і його гідравлічний опір можна виразити за допомогою коефіцієнта опору k_р, кількість фугату залежно від часу центрифугування можна визначити за рівнянням

У процесі центрифугування осад ущільнюється, радіус R_б збільшується. З урахуванням реологічних властивостей осаду його зміну у часі доцільно враховувати за допомогою такого диференціального рівняння:

Для інших випадків, залежно від прийнятої реологічної моделі осаду і враховуючи великий гідравлічний опір фільтруювальної перегородки, виведено декілька диференціальних рівнянь. Вони наведені в роботі, характеризуються значною складністю, тому для їх розв'язання слід використовувати числові методи.

Згідно з прийнятою концепцією математичного моделювання для перевірки адекватності отриманих аналітичними методами математичних моделей реальним процесам, були проведені експериментальні дослідження, в ході яких насамперед уточнювали механізм процесу і встановлювали його оптимальні режими.

У четвертому розділі наведено результати експериментально-аналітичних досліджень осадового центрифугування м'ясної шквари і пектинової гідролізної суспензії. Під час проведення досліджень визначали вміст жиру, вологість, пористість, питомий опір осаду, дисперсність "твердої фази" та інші характеристики дисперсних систем. Питомий опір шару м'ясної шквари під час фільтрації жиру визначали, використовуючи фільтраційний прилад, розроблений спеціально для дослідження осадів, які сильно стискуються. Для дослідження пошарового ущільнення осаду у відцентровому силовому полі й визначення характеру зміни густини осаду залежно від часу і режимів центрифугування використовували спеціально розроблену методику мічених точок.

Фізичне моделювання різних способів і режимів центрифугування здійснювали за допомогою експериментальної установки, яка давала можливість використовувати: промислову осадову центрифугу ОГШ-321К-05; малогабаритну вертикальну центрифугу із змінними конічними і циліндричними роторами, а також із різними конструкціями виванжувальних ножових пристроїв; універсальну експериментальну центрифугу періодичної дії з багатофункціональним прозорим ротором і змінними циліндричними, конічними і секторними вставками. Використання різних центрифуг дало змогу дослідити процес розділення в осадовому, фільтрувальному і комбінованому осадово-фільтрувальному режимах.

Експериментальні дослідження знежирення шквари в універсальній центрифузі періодичної дії в фільтрувальному, осадовому і комбінованому режимах, включаючи візуальні, показали,що, незалежно від режиму центрифугування, механізм знежирення м'ясної шквари має такий самий характер. Відбувається віджимання рідкої фази з осаду, при цьому жир у вигляді коаксіального шару розташовується ближче до осі обертання ротора. Це дало змогу розглядати процес центрифугування як фільтраційний (зворотна фільтрація) і, використавши запропоновані В.І. Соколовим класичні рівняння фільтрування суспензії в відцентровому силовому полі, побудувати математичні моделі, що описують знежирення м'ясної шквари.

Виведені рівняння рекомендовано використовувати для оптимізації процесу. Аналіз їх і результатів експериментальних досліджень засвідчив, що, зважаючи на реологічні властивості осаду, досягти максимального знежирення м'ясної шквари відповідно до вимог існуючої технологічної інструкції можливо тільки за умови, коли процес центрифугування триває декілька хвилин, тобто використовуючи центрифуги періодичної дії. Враховуючи практику широкого застосування в харчовому виробництві центрифуг безперервної дії, а також існуючу потребу в експериментальних даних, потрібних для визначення раціональних режимів центрифугування і розроблення нових конструкцій центрифуг безперервної дії, були проведені експериментальні дослідження процесу знежирення м'ясної шквари в серійній горизонтальній шнековій центрифузі ОГШ-321К-05.

Експериментально дістали залежності вмісту жиру в осаді та фузи в жирі від продуктивності центрифуги і вологості шквари. Аналіз результатів експериментальних досліджень підтвердив достовірність результатів аналітичного дослідження математичних моделей, які описують ущільнення осаду у відцентровому силовому полі, і засвідчив, що в центрифугах такого типу не можна досягти максимального ущільнення осаду, а отже, і достатньо повного знежирення шквари. В осаді залишається більше ніж 15 % жиру, що негативно впливає на якість готового продукту. Збільшення вмісту вологи в суспензії до 50% практично призводить до зупинки процесу розділення, оскільки в фугаті різко підвищується вміст фузи. Це пов'язано зі зміною реологічних властивостей суспензії і виникненням у процесі центрифугування стійкої водожирової емульсії, яка перешкоджає осадженню частинок шквари й ущільненню осаду. Утворенню стійкої трифазної системи органічні частинки - жир - вода сприяє інтенсивне перемішування суспензії шнековим ротором і його вібрація.

У відомій автору літературі є дані про можливість і перспективність використання відцентрового способу розділення пектинових гідролізних суспензій. Однак промислове використання центрифуг для цих цілей перебуває на стадії освоєння, а даних експериментальних досліджень практично немає. Тому спочатку визначали раціональні режими центрифугування розрахунком, використовуючи результати аналітичних досліджень і одержані раніше математичні моделі процесу осадження. Потім, враховуючи результати розрахунків, добирали потрібну конструкцію центрифуги.

Щоб виконати розрахунки і встановити потрібний час центрифугування, експериментально визначали розміри частинок суспензії і їх кількісне розподілення за розмірами. Дисперсний стан пектинової суспензії досліджували з використанням методики автоматичного оброблення і кількісного опису оптичних відображень "Лейтц Тас Плюс". Отримавши гістограми розподілу частинок дисперсної фази за розмірами, розрахунками було встановлено раціональний режим першої стадії осадового центрифугування і мінімальний час, потрібний для осадження "твердих" частинок пектинового екстракту. для 80 % частинок він становив більше ніж 8 с. Тобто розрахунками встановлено, що в осадових центрифугах безперервної дії типу ОГШ можна тільки частково розділити пектинову суспензію і виділити з неї найбільші за розмірами і густиною частинки дисперсної фази.

Результати експериментальних досліджень підтвердили дані, одержані аналітично. Вони дали змогу зробити важливий практичний висновок: щоб досягти повнішого розділення, треба застосовувати центрифуги, конструкція яких дає можливість збільшити час перебування суспензії в роторі(наприклад, центрифугу періодичної дії ОГН) або модернізувати центрифугу безперервної дії. Модернізацію центрифуги безперервної дії було виконано, і вона пройшла випробування. Новизна розробок підтверджена авторським свідоцтвом.

У п'ятому розділі наведено результати практичного використання методів прикладної реології в ковбасному виробництві. Ці методи і системний реологічний підхід були застосовані в моделюванні процесів механічного і вакуум-механічного оброблення неподрібненого м'яса. Виконано аналіз і дано класифікацію способів механічного оброблення м'яса. Визначено показники, які характеризують ефективність процесу. Встановлено, що на процес масажування та інтенсивність руйнування структури продукту впливають величина деформуючих зусиль, тривалість і характер їх дії. Ефективність механічного оброблення залежить від кількості енергії, яку поглинає м'ясо за одиницю часу, і частки її, що витрачається на руйнування структури.

З урахуванням реологічних властивостей продукту питому роботу деформування доцільно визначати так:

Для різних режимів масажування м'яса рівняння (22) має різний вигляд, який залежить від виду функцій (t)=f(t) і (t)=f₁(t). В разі м'якого масажування, коли = ₁ = const, і просто масажування, коли = ₂ = const і _{2 1}, питома робота деформування дорівнює

Під впливом механічного оброблення змінюються структурно-механічні характеристики продукту. В цьому випадку для визначення ефективності процесу масажування рекомендовано використовувати відносний енергетичний параметр = А/А_ост що значно спрощує розрахунки.

У разі імпульсного деформування математична модель процесу масажування має вигляд

Зв'язок між загальною деформацією та амплітудою пружної хвилі деформування можна визначати в спрощеному вигляді за допомогою функції зв'язку х=f().

Якщо на імпульсне зусилля, що вивело систему з рівноваги, не накладається додаткова деформуюча сила р(t), наприклад масажування шматків м'яса здійснюється в барабанному масажері при атмосферному тиску, то в першому наближенні можна вважати р(t) = 0 і рівняння (24) дещо спрощується. Однак і в такому вигляді воно залишається складним і розв'язання його потребує використання числових методів. Тому в харчовій технології в разі практичного використання імпульсного деформування доцільно визначати ефективність процесу масажування за значенням відносних реологічних коефіцієнтів _с і

Їх знаходять, використовуючи експериментально одержані криві кінетики деформування продукту до і після механічного оброблення. Послідовність визначення реологічних коефіцієнтів наведено в другому розділі роботи. Результати досліджень процесу масажування (м'яке масажування, масажування, тендеризація) були використані для розроблення нового способу соління м`яса і пристрою для його реалізації.

У роботі наведено результати дослідження вакуумного оброблення м'яса. Встановлено, що ефективність розм'якшення м'яса та інтенсивність насичення його розсолом залежать від величини і періодичності вакууму, а також від тривалості оброблення. Максимальний ефект досягається за циклічного вакуумного оброблення в режимі 11. Ефект вакуумного оброблення м'яса покладено в основу нового способу його соління.

Експериментально встановлено, що максимальне розм'якшення яловичого м'яса досягається вакуум-механічним обробленням, коли деформування здійснюється під вакуумом в імпульсному режимі ударом механічного пристрою.

Теоретичні розробки в прикладній реології запропоновано використовувати також для визначення консистенції м'яса як одного з показників його якості. Експериментально показано можливість використання реологічних характеристик k₁ = і k₂ = c (₀+₁) для оцінювання консистенції яловичини, визначення ефективності її термічного оброблення, а також жорсткості м'яса птиці під час соління і подальшого перероблення.

У шостому розділі наведено результати практичного застосування прикладної реології для вдосконалення технологій і обладнання переробки на сухі тваринні корми відходів м'ясного виробництва.

Разом з М.Г. Тульчевським виконано модернізацію найбільш поширеної на м'ясокомбінатах України технологічної лінії перероблення відходів м'ясного виробництва, яка передбачає проміжне знежирення м'ясної шквари центрифугуванням. Модернізацію виконано завдяки інтенсифікації механічних і гідромеханічних процесів, удосконаленню існуючого і розробленню нового обладнання для транспортування і центрифугування м'ясної шквари, фільтрування фугату. Використання нового гідровідцентрового способу знежирення шквари дало змогу значно поліпшити якість сухих тваринних кормів і збільшити продуктивність лінії.

Щоб підвищити ефективність відцентрового знежирення м'ясної шквари, розроблено нові конструкції центрифуг. Вони дають змогу збільшити тривалість перебування продукту в зоні дії відцентрового силового поля. Потрібну тривалість центрифугування визначено розрахунками.

Для уточнення розрахункових параметрів центрифугування м'ясної шквари, було проведено експериментальні дослідження на універсальній центрифузі. Аналіз одержаних даних засвідчив, що використання радіальних фільтрувальних елементів прискорює початкову стадію знежирення м'ясної шквари. Застосування установки з прозорим ротором і візуальне дослідження процесу центрифугування дали змогу визначити особливості утворення й ущільнення осаду, а також дослідити режими вивантаження його в разі, якщо ротор має циліндричну і конічну форми. Результати досліджень знайшли практичне використання в конструюванні окремих вузлів центрифуг. На базі виконаних досліджень процесу центрифугування запропоновано внести зміни в існуючу класифікацію центрифуг. В основу нової класифікації покладено особливості механізму розділення, який насамперед визначається реологічними властивостями суспензії.

У шостому розділі наведено також результати експериментальних досліджень властивостей фільтрувальних елементів центрифуг і фільтрів. Дослідження проводили на спеціальних установках, які фізично моделюють різні режими фільтрування. Встановлено, що найбільш перспективним фільтрувальним матеріалом для очищення жиру і розділення водожирових суспензій слід вважати базальт. Цей матеріал поширений в Україні. Фільтри на основі супер-, ультра- і мікротонких мінеральних волокон стійкі до високої температури, довговічні, здатні до повної регенерації і, як показали результати експериментів, забезпечують високий ефект очищення жиру і розділення водожирових суспензій.

З метою виявлення оптимальних режимів фільтрування, виконання розрахунків і конструювання промислових циліндричних багатошарових фільтрів внесено уточнення в математичну модель процесу фільтрування, побудовану І.М. Федоткіним і В.І. В'юном.

Щоб очистити жир, а також розділити водожирові емульсії, розроблено нові конструкції фільтрів і жировідділювачів, промислове випробування яких підтвердило високу ефективність розробок.

Основні висновки

1. Проблеми розроблення нових ефективних технологій і високопродуктивного обладнання, поліпшення якості харчових продуктів можуть бути вирішені тільки на науковій основі з пріоритетним застосуванням математичного моделювання і нових знань реологічних властивостей продукту.

2. Існуючі прилади і методи дослідження реологічних властивостей харчових дисперсних систем потребують вдосконалення, тому розроблено нові методи досліджень і конструкцій приладів, які дають змогу визначати реологічні властивості продукту у вакуумі, в умовах високого тиску, в стаціонарному і дискретному режимах деформування, включаючи імпульсний.

...