Моделирование технологической линии производства безалкогольного яблочного напитка

Введение. Перспективным направлением исследования и создания функционального продукта является переработка мелкоплодных яблок и тонизирующих трав, произрастающих на территории Восточной Сибири. В последние годы во всем мире получило широкое развитие функциональное питание на основе местных ресурсов. Употребление пищевых продуктов из мелкоплодных яблок Восточной Сибири оказывает регулирующее действие на отдельные системы и органы человека.

Изменение образа жизни, характера труда, возрастание стрессовых нагрузок, ситуаций и невысокая продолжительность жизни населения Восточной Сибири выдвигают на первый план решение важнейшего комплекса научных проблем по разработке высокоэффективных технологий и созданию на их основе нового поколения отечественных продуктов здорового питания повышенной пищевой и биологической ценности.

Мелкоплодные яблоки и тонизирующие травы Восточной Сибири являются уникальным источником сырья для полуфабрикатов пищевой промышленности, поскольку обладают необходимым количеством полезных веществ, витаминов, минералов, микро- и макроэлементов. Использование безалкогольного яблочного напитка при разумном употреблении насыщает организм человека полезными микро- и макроэлементами.

Актуальность исследований. Создание новой технологической линии с регулирующими параметрами переработки мелкоплодных яблок в конечный пищевой продукт с натуральными биологически активными веществами, способствующими оздоровлению и повышению качества питания людей [1–5].

Цель исследований . Разработка технологии и модели процессов получения продукта из мелкоплодных яблок Восточной Сибири для улучшения качественного питания населения.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются звенья технологической линии производства безалкогольного яблочного напитка. Использованы методы теории дифференциальных уравнений и переходных процессов для установления состояния отдельных звеньев линии и описания динамики в целом.

Результаты исследований и их обсуждение. Предлагаемая схема линии (рис. 1) включает в себя цикл переработки исходного сырья на входе в готовый продукт на выходе.

Рис. 1. Схема линии по производству безалкогольного яблочного напитка

Мелкоплодные яблоки в качестве исходного сырья поступают в бункер (В), затем на сортировку (А), где некачественное сырье уходит в отходы (Q), яблоки, прошедшие сортировку, поступают на мойку (М). Далее сырье подается на пресс-фильтр (F 4 ), где производится отделение жидкой массы (сок) от твердой (яблочного жмыха). Жмых поступает во вторичный продукт переработки (W), а сок в общий купажный чан (K). В общий чан также поступают настои имбиря, гвоздики и полыни после грубой фильтрации (F 1 ,F 2 ,F 3 ) из емкостей (K 1 ,K 2 ,K 3 ) и мед (J).

В общей емкости (К) происходит перемешивание для однородности состава и уже перед получением безалкогольного яблочного напитка (N) осуществляется последняя стадия – тонкая фильтрация, розлив и пастеризация напитка (F 5 ).

Результатом данного исследования стало получение напитка с новыми показателями, основанного на производстве из местного растительного сырья с меньшими затратами, что позволило расширить ассортимент безалкогольных напитков.

Для моделирования процесса переноса массы сырья при обработке мелкоплодных яблок и тонизирующих трав введем обозначения: W_B (t) - функция состояния бункера с мелкоплодными яблоками; W_A (t) - функция состояния звена сортировки; W_M(t) - мойка; W_c(t) - вырезание сердцевин; W_s(t) - спиртование; W_G (t) - приготовление глазури; W_F 4 (t) - пресс-фильтр; W_F (t),W_{F 1} (t),W_F 2 (t)- фильтр грубой очистки; W_{K 123} (t)- фильтры купажного чана № 1,2,3 ; W_K (t)- фильтр общего купажного чана ; W_F 3 (t) - фильтр тонкой очистки в соответствии со структурой технологической линии (см. рис. 1).

Представим производительности звеньев интенсивностями выходных потоков: λ ВА – перемещение сырья из бункера на сортировку; λ АМ – перемещение отсортированных яблок на мойку и т.д.

Для представления взаимодействий звеньев технологической линии в первом приближении предложена следующая система дифференциальных уравнений:

- ^A b a • ^ш в (t) — A_ao • ^ ^ (t) ^- A_am • W_A⁽t~) ^- A_av • W a (t) ;

— Л ао ^ШаЮ ;

ОЖаЮ . dt dW o (t) dt dW_F 4 (t) dt dW_V1 (t) dt dW F (t) _ dt ' dW F1 (t) dt dW F ₂ (t) dt dW_K(t) dt dW_N(t) dt

' - ^ S i F4	• WS 1 (t) — A f4k	• ^ F4 (t) — A F4V 1 • ^ F4 (t) ;
! — 2 - A F 4 V i	•W f 4 (t) ;
— ^ K 1 F •	W k i (t) -A fk- W f (t) ;
- — 2 — A ^ 2 F i	• Ш К2 (t) - A F 1 K	•W f i (t) ;
( — 2 — AK 3 F2	• Ш К 3 (t) - A f2k	•W f 2 (t);
— A f4k	• Шр4 (t) + A fk •	^ F (t) + A D k • WD (t) + A F 1 K
— —A F 5 N	•^ f5 (t) .

•ш^ (0 ;

Аналитическое решение задачи Коши является адекватной моделью функционирования технологической линии и ее звеньев:

( 29 t A                    ( 67 t A                    ( 48 t A

227403 13411678599 I" TTJ 6988113 I" WJ 5034447 l^- ^T J ⁽ t ) “ 909440 56893173820 e        9589000 e         784000 e

( 99 t A                       ( 49 t A

74151 l" Ю0 J 127481607 I " J

⁺ 148216 e ⁺ 19211626 e

( 29 t A                   ( 67 t A                   ( 48 t A               ( 99 t A

2297 135471501 (" ЛТ J 211761 (" loo J 50853 (" 25 J    749 (" loo J

⁽ t ) “ 4640 ⁺ 605246530 e 223000 e         196000 e ⁺ 1528 e

98 98 I

^F1( t ) 99 99 ^e

4 4 I

; F2( t ) = 9 - 9 e

94 94

; ^F3( t ) 99 99 e

( 29 t A                                 ( 49 t A t 1185794629   131447861948799 Г To"J 1249447230207 l-   J

F⁵⁽ t ) = 450172800 " 2075519874127420 e ⁺ 180762189034 e

( 48 t A                             ( 67 t A                           ( 99 t A

5482512783 l^- ^T J 68490495513 l^- loo J 2736164673 l^- loo J ₂

753424000 e - 9819136000 e - 2964320000 e t

( 99 t A                                                       ( 99 t A

3809041340096497 l^- W J    590940931448041279862477   l^- W J

6810074623360000 e t 123909281621348646297600 e

( 29 t A                        ( 67 t A

1185794629   1327756181301    (^- ю J 691823187 (^- W J

⁽ t ) “ 450172800 ⁺ 10866596199620 e        306848000 e

( 48 t A                      ( 99 t A                              ( 49 t

166136751 l^- 25 J 27638027 l^- loo J     12620679093 l^- 25 J

⁺ 24304000 e        14821600 e t 1863527722 e

( 99 t A

3809041340096497   l^- loo J

6741973877126400 e

( 29 t A                         ( 67 t A

22058091 t 1300932824103 l^- To" J 677846961 l^- loo J

W⁽ t ) “ 90944000 ⁺ 16499020407800 ^{e +} 642463000 ^e

( 48 t A               ( 99 t A                         ( 49 t A

162780453 l^- 25 J 749 l^- loo J 127481607 l^- 25 J 16734097912331

⁺ 50176000 e ^- 1528 e ^- 38819368 e ^- 27707217305600

13013338332931101    (- W) 123695275790493 ("   )

( t ) = 601900763496951800 e         35429389050664 e

180922921839 ["^]   1185794629 t 6780559055787 (" WJ

⁺ 48219136000 e ⁺ 454720000 ⁺ 657882112000 e

• < 99 t A                                          <  99 t \

  2736164673 I " W J ₂ 16507874550575697 I " W J ²

2964320000 e t 6810074623360000 e

287546270783913469050029   ( " Ж J 22680418742290307

123909281621348646297600 e        2743014513254400

Рис. 2. Изменение объёмов сырья и готовой продукции в звеньях с течением времени от момента запуска технологической линии

Методом вычислительного эксперимента при варьировании интенсивностей переходных процессов и начальных данных показано, что технологическая схема устойчива, и построен график изменения массы сырья при обработке (рис.3).

Рис. 3. Накопление безалкогольного яблочного напитка в лимитирующем звене массы сырья при обработке на технологической линии: 1 – М В (0) = m 1 ; 2 – М В (0) = m 2 ;

t 0 – начало и t k – конец выхода продукции

Таким образом, проектирование технологической линии обработки мелкоплодных яблок с оптимальными интенсивностями процессов, сохраняющих функциональность конечного продукта, позволяет определить и установить временные границы технологического производства с учетом выбранных режимов переработки.

Выводы

• 1.    Предложенная модель получения функционального продукта – безалкогольного яблочного напитка на основе местного растительного сырья мелкоплодных яблок, меда и тонизирующих трав – позволяет выбрать оптимальные режимы переработки и сохранить большинство полезных свойств сырья.

• 2.    При моделировании технологической линии с изменением времени t масса накопленного продукта увеличивается до уровня загружаемого сырья за вычетом технологических потерь. Установлено, что в конечный момент обработки t к масса сырья достигает своего предельного значения.