Процессы и аппараты пищевых производств. Рубрика в журнале - Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий
Перспективы методов вычислительной гидродинамики при исследовании мембранных процессов
Статья обзорная
При математическом моделировании мембранных процессов изучение структурных особенностей используемых мембран и существенная ограниченность информации при формальном описании их разделительных свойств привели к разработке физических моделей, учитывающих не только особенности строений реальных мембран, но и их особенностей функционирования. При составлении физических моделей мембранных процессов, невозможно объективно провести количественный учет большинства факторов из-за их большого многообразия и изменчивости, что далеко отдаляет математическую модель от реального процесса. Именно поэтому методы вычислительной гидродинамики надежно и эффективно выполняют расчеты для всех физических моделей и типов, включая стационарное или переходное течение, несжимаемое или сжимаемое течение (от малых дозвуковых до гиперзвуковых), моделирование ламинарных или турбулентных потоков, ньютоновских или неньютоновских жидкостей, идеального или реального газа. Авторами проведен анализ возможности использования вычислительной гидродинамики CFD для расчета гидродинамики потоков в мембранном биореакторе на основе полых волокон. Сафаровым Р.Р. и др. была построена электронная геометрическая модель установки, осуществлен выбор геометрии сетки с различной плотностью для оптимизации времени расчетов и точности решения для конкретного случая, рассчитана кинетическая зависимость роста клеток, определены расходы подачи питательной среды во внутриволоконное и межволоконное пространства биореактора, проанализированы гидродинамические условия. Все вышесказанное подтверждает перспективы использования CFD методов для моделирования мембранных процессов, осложненных культивированием клеток на поверхности мембран.
Бесплатно
Перспективы методов вычислительной гидродинамики при исследовании мембранных процессов
Статья обзорная
При математическом моделировании мембранных процессов изучение структурных особенностей используемых мембран и существенная ограниченность информации при формальном описании их разделительных свойств привели к разработке физических моделей, учитывающих не только особенности строений реальных мембран, но и их особенностей функционирования. При составлении физических моделей мембранных процессов, невозможно объективно провести количественный учет большинства факторов из-за их большого многообразия и изменчивости, что далеко отдаляет математическую модель от реального процесса. Именно поэтому методы вычислительной гидродинамики надежно и эффективно выполняют расчеты для всех физических моделей и типов, включая стационарное или переходное течение, несжимаемое или сжимаемое течение (от малых дозвуковых до гиперзвуковых), моделирование ламинарных или турбулентных потоков, ньютоновских или неньютоновских жидкостей, идеального или реального газа. Была построена электронная геометрическая модель установки, осуществлен выбор геометрии сетки с различной плотностью для оптимизации времени расчетов и точности решения для конкретного случая, рассчитана кинетическая зависимость роста клеток, определены расходы подачи питательной среды во внутриволоконное и межволоконное пространства биореактора, проанализированы гидродинамические условия.
Бесплатно
Пищевые белково-жировые эмульсии, обработанные ультразвуком и пульсирующим магнитным полем
Статья научная
Для выпечки хлебобулочных изделий в целях экономии жиров применяются различные виды жиро-водных и белково-жировых эмульсий, которые используются в качестве ингредиентов в изделия и для защиты металлических форм от пригорания. Обычно эмульсии приготавливают на хлебопекарных предприятиях по ГОСТ Р 51785-2001, предусматривающему механическое взбивание ингредиентов. Авторами предложен и исследован способ получения более стойких пищевых белково-жировых эмульсий с применением ультразвукового излучателя с жестко закрепленными неодимовыми магнитами на его концентраторе. В качестве ингредиентов применены разбавленная водой творожная сыворотка, нерафинированное подсолнечное масло и подсолнечные фосфатиды. Соотношение творожной сыворотки и воды 1:7. Физические эффекты ультразвука и пульсирующего с его частотой поля магнитов в контактирующем слое диспергируемых жидких ингредиентов повысили вязкость и дисперсность белково-жировых эмульсий. Экспериментально подтверждена гипотеза повышения устойчивости и стерильности белково-жировой эмульсии путем подбора параметров магнитного поля и мощности ультразвукового излучателя. Микроскопический анализ показывает высокую степень однородности эмульсии при времени обработки 3-4 минуты и интенсивности ультразвука 2 Вт/см2, что энергетически выгодно. Обнаружен синергизм влияния физических воздействий ультразвука и магнитного поля на прочность и устойчивость эмульсии к механическим и температурным воздействиям, а также бактерицидный эффект, пролонгирующий сроки использования продукта. Изготовление эмульсий по заявленному способу с использованием ультразвука и магнитного поля постоянных неодимовых магнитов сокращает количество вводимых компонентов-эмульгаторов в 3-4 раза или вовсе исключает их применение. Существующие пьезоэлектрические ультразвуковые установки, как и неодимовые магниты имеют малые размеры и низкое энергопотребление, легко встраиваемые в линию непрерывного приготовления эмульсии для хлебопекарных производств. Такие эмульсии менее требовательны в хранении и транспортировке.
Бесплатно
Пищевые технологии: диалектическая модель развития
Статья научная
Рассмотрен научный подход к созданию машинных пищевых технологий будущего с упреждением 30-50 и более лет. Все сегодняшние научно-исследовательские работы должны выполняться, исходя из разработки технико-технологических требований к организации безлюдных технологических потоков будущего. Эти требования - результат стартовой фундаментальной научной работы (первого шага алгоритма) – должны лежать в основе формирования образа пищевого предприятия середины или конца ХХI и начала ХХII вв.
Бесплатно
Пищевые технологии: диалектическая модель развития
Статья научная
рассмотрен научный подход к созданию машинных пищевых технологий будущего с упреждением 30-50 и более лет. Все сегодняшние научно-исследовательские работы должны выполняться, исходя из разработки технико-технологических требований к организации безлюдных технологических потоков будущего. Эти требования - результат стартовой фундаментальной научной работы (первого шага алгоритма) - должны лежать в основе формирования образа пищевого предприятия середины или конца ХХI и начала ХХII вв [5].
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе обозначена актуальность тузлучного посола сельди при отрицательных температурах с учетом положительной динамики ее вылова, ее запасов, благоприятного воздействия холода на подавление жизнедеятельности микроорганизмов, улучшении качества продукции и увеличением времени хранения. Исследовались изменения такой значимой характеристики как коэффициент диффузии в процессе посола при отрицательных температурах. Для исследования был использован метод фотонной корреляционной спектроскопии, основанный на релеевском рассеянии излучения от вещества. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов диффузии от глубины проникновения соли в тузлуке, коже и мясе сельди в диапазоне температур от -16°С до -6°С, которые носят волнообразный характер. Также получена зависимость коэффициентов диффузии от отрицательной температуры в диапазоне от -18°С до 0°С, имеющая гармонический вид. Возникающий температурный градиент является источником возмущений, приводящий к образованию термоконвективных волн. На основании теоретических исследований академика А.В. Лыкова и химических процессах, происходящих на границе (коже) раздела фаз с использованием основного уравнения термохимии – закона Гиббса, объясняется механизм образования термоконвективных волн, влияющих на коэффициент диффузии. Получена связь коэффициентов диффузии с размерами диффундирующих частиц, носящая гиперболический характер в диапазоне температур от -18°С до 0°С в тузлуке, коже и мясе сельди. Высказана возможность ускорения посола путем механического воздействия на исследуемый объект (в частности звуком или ультразвуком). Разрушение диффундирующих частиц, представляющих собой объединения ионов Na+ и Cl- с молекулами воды, способствует увеличению коэффициента диффузии.
Бесплатно
Повышение эффективности работы градирен в водооборотном цикле
Статья научная
Градирни являются основным оборудованием водооборотного цикла. Охлаждение производится оборотной водой теплообменных устройств. Нагретую воду охлаждают в градирнях путем смешения с потоком воздуха и снова направляют на использование в качестве охлаждающего агента. Охлаждение осуществляется в результате теплообмена. Движущая сила, необходимая для преодоления силы трения потоков, которая мешает течению воздуха, обеспечивается нагнетательными или вытяжными вентиляторами. Общую движущую силу можно выразить суммой отдельных движущих сил в потоках воздуха и воды. Работа при воздушном перемешивании жидкой фазы производится за счет энергии сжатого воздуха и может быть рассчитана, как работа изотермического сжатия по приведенным в работе уравнениям. Известны градирни различных типов. Вентиляторные градирни являются наиболее совершенным типом охладителей воды, поскольку обеспечивают практически устойчивое охлаждение воды путем изменения частоты вращения вентиляторов или их периодического отключения, в них допускается более высокие тепловые нагрузки и глубокое охлаждение воды, то есть большее приближение температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения за счет повышенного относительного расхода воздуха, проходящему через градирню. Приведены основные характеристики градирен по площади орошения, гидравлической нагрузке и др. Представлена схема вентиляторной градирни, перечислены ее главные достоинства, такие как охлаждающая способность, интенсификация переноса массы (воды) в другую (воздуха), то есть типичный процесс сопряженного тепломассопереноса. Рассмотрены основные элементы градирни. Ороситель, как главный элемент градирни необходим для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом, ускорения процесса охлаждения. Показаны пути увеличения эффективности их эксплуатации. Водоуловители максимально снижают капельный унос - до 100 %. Водораспределительные системы должны равномерно распределять охлаждаемую воду по площади поверхности оросителя. Представлены расхода энергии, поступающей через форсунки. Освещена роль входных окон, как элементов градирни, основные направления по дальнейшему повышению эффективности работы современных градирен.
Бесплатно
Повышение эффективности работы теплового насоса
Статья научная
Рассмотрены методы повышения эффективности работы теплового насоса в результате исследования процессов, происходящих в отдельных элементах, входящих в его состав, на основе эксергетического метода анализа.
Бесплатно
Поиск новых принципов сепарирования
Статья научная
Предложен новый принцип вероятностного сепарирования, в котором используется сочетание инерционного и гравитационного силовых полей. Характерной его особенностью является использование простых в изготовлении разделяющих рабочих органов, отсутствие забивания их частицами, а также возможность оперативного изменения условий сепарирования.
Бесплатно
Получение кормового рыбного фарша методом криоэкструзии из замороженного рыбного сырья
Статья научная
Разработана технология получения кормового рыбного фарша (криофарша) методом криоэкструзии с использованием полезной модели экструзионной установки поршневого типа с охлаждаемыми рабочими органами для измельчения рыбного сырья в замороженном состоянии. Обоснована возможность замены в стандартной технологии производства кормового фарша из рыбы таких технологических операций как дефростация и последующее измельчение сырья, одной – холодной экструзией или криоэкструзией. Использована форма отверстий фильеры для продавливания сырья в виде «песочных часов» диаметром 7 мм, длительность процесса продавливания – 40 секунд. Определены фактические потери сырья в процессе измельчения методом криоэкструзии, которые составляют от 1% до 2,5%, включая потери при распиле блока в целях подготовки сырья к продавливанию. Установлено, что готовый продукт – криофарш, имеет однородное измельчение, сочную, рассыпчатую консистенцию, температура в толще продукта на выходе не изменяется и равна температуре сырья до начала переработки, то есть минус 18 °С. Разработана принципиальная технологическая схема получения кормового фарша методом криоэкструзии. Расчёт материального баланса при производстве фаршей показал, что использование нового метода позволит увеличить выход готового продукта до 99%. На основании исследований химического состава рыбы и кормовых фаршей, полученных традиционным и разработанным способами, установлено, что в криофарше содержание белка остаётся неизменным. Разработаны проекты технических условий на производство криофарша и технологической инструкции по производству криофаршей для кормовых целей, а также подготовлена заявка на патент «Получение кормового фарша из мороженой рыбы методом криоэкструзии».
Бесплатно
Построение математической модели экстрагирования подсырной сывороткой из люпина в форме пластины
Статья научная
Изложены предпосылки для построения модели. При постановке задачи обосновано рассмотрение частицы люпина как неограниченной пластины. Сформулированы основные допущения, выписаны краевые условия. Получены частичные решения дифференциального уравнения, а также общее решение для текущего значения концентрационного напора С'( x,у ). Распределение концентрации является симметричным относительно оси ординат. Выписано конечное выражение для поля концентраций при экстрагировании плоской пластины в безразмерном виде. Показано, что распределение концентрации достаточно точно описывается первым членом ряда. Сделан вывод, что для любого момента времени при заданных граничных условиях поле концентраций имеет вид симметричной кривой с максимумом на оси пластины (Х=0). Для каждого последующего момента времени будет своя кривая, монотонно убывающая к поверхности пластины. Доказано, что возможно определить характер изменения концентрации в теле при заданном значении Рассмотрен случай, когдастремится к бесконечности при заданных физических параметрах, толщине пластины и организации высокой интенсивности отвода экстрактивных веществ от поверхности. Для этого случая получены уравнения относительно безразмерной концентрации и числа Фурье. Выписано также уравнение для определения конечного времени экстрагирования. Показано, что полученные решения уравнений модели находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Бесплатно
Статья научная
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов экстрагирования из сырья растительного происхождения: ячменя, желудей и цикория жидким диоксидом углерода, а также люпина подсырной сывороткой. Определены качественные показатели экстрактов и шротов. Установлено, что они являются перспективными сырьевыми источниками для обогащённых и функциональных продуктов, поскольку содержат аминокислоты, витамины и микроэлементы. Молочно-растительный экстракт люпина, например, содержит 17 аминокислот, в том числе незаменимые, а также витамины и микроэлементы. Исследования качества шротов ячменя, желудей, цикория и люпина показало целесообразность их использования для обогащения пищевых продуктов. Показатели качества шротов представлены в данной работе в виде таблиц. Изложенное выше послужило основанием для разработки аппаратурно-технологических схем получения СО 2-экстрактов и их использования. Аппаратурно-технологическая схема получения СО 2-экстрактов из ячменя, желудей и цикория включает целый ряд оборудования: автотранспорт для доставки сырья на предприятие, скребковый гидротранспортёр, моечную машину, фотосепаратор для удаления некачественного сырья и посторонних примесей, обдувочную машину для удаления поверхностной влаги с сырья, моечную машину для очистки от кожуры, резательную машину, аппарат для сушки и обжарки, дробилку, вальцевой станок и установку для экстрагирования. Аппаратурное оформление технологии йогурта, обогащённого аминокислотами, микроэлементами и витаминами, которые содержатся в молочно-растительном экстракте в основном отличается от изложенного выше тем, что в качестве экстракта используется подсырная сыворотка, а извлечение целевого компонента осуществляется в вибрационном экстракторе. Аппаратурно-технологическая схема составлена в соответствии с отечественной технологией йогурта и дополнена оборудованием для подачи молочно-растительного экстракта в продукт. Это виброэкстрактор, сборник для экстракта, кожухотрубчатый теплообменник и холодильник. Изложены предпосылки при выборе теплообменника. Предложенная схема может быть использована при производстве других кисломолочных продуктов. Таким образом, разработанные авторами аппаратурно-технологические схемы вносят определённый вклад в решение комплексной переработки вторичного сырья растительного происхождения, которая является экономически и экологически целесообразной.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается методика представления трех безразмерных геометрических характеристик пористых материалов в форме статистических функций. Методика позволяет получать формулы для конкретных гистограмм пористых материалов. Исследование относится к аналитической разработке методики определения безразмерных параметров пищевых пористых сред. В качестве примера рассмотрен пористый материал, близкий по геометрическим характеристикам типовому пищевому продукту с однородной и изотропной пористой средой, подобной крахмалу, мелкодисперсным пищевым добавкам, муке. Исследование основано на статистическом логнормальном распределении случайных величин и аналитической взаимосвязи между тремя безразмерными интегральными параметрами пористых систем. Аналитически получены формулы трех безразмерных геометрических параметров пористой среды: прерывистости, просветности и пористости. Ими учитывается статистика случайного распределения пор по размерам. Формулы включают экспериментальный интегральный параметр пористости, определяемый стандартными методиками...
Бесплатно
Статья научная
Ранее была предпринята попытка создания математической модели непрерывной кристаллизации лактозы в водных растворах при различных пересыщениях. Расчетный способ базировался на основе нового критерия метастабильности пересыщенных растворов. Критерий метастабильности раствора в данном случае представляет собой безразмерную величину от 0 до 1 и отражает роль зародышеобразования в любой момент времени. Другими словами, эта безразмерная величина, показывающая соотношение скоростей зародышеобразования и роста кристаллов. Нами эта величина определена путем математического моделирования с использованием модифицированной модели Гюнтера–Маца. Практическая значимость критерия заключается в установлении области кристаллизации (смешанная, нуклеации и роста) с учетом поверхности внесенной кристаллической фазы. Установлено, что при малой поверхности процесс кристаллизации протекает преимущественно в смешанной области, при отсутствии затравки (F=0), при превышении границы метастабильности идет в бласт нуклеации (Pg=0,1), при больших поверхностях кристаллов F. процесс протекает в области роста даже при высоких пересыщениях (Pg=0,9), т.е. он позволяет быстро определить необходимое количество затравки с целью интенсификации процесса кристаллизации. Он может быть применен для любого кристаллизуемого вещества, если имеются кинетические параметры процесса (константы скорости и кинетические порядки зародышеобразования и роста, растворимость и д.р.). Однако присутствие несахаров и соответствующей приборной базы вызывают большие осложнения по нахождению вышеуказанных параметров процесса рабочих растворов, поэтому остановились на упрощенном инженерном методе расчета.
Бесплатно
Статья научная
Оптимизация термохимических и биологических превращений, происходящих при тепловой обработке пищевых продуктов, может быть осуществлена только с учетом динамики формирования температурных полей внутри обрабатываемых изделий. Разработана математическая модель процесса Sous-Vide обработки, обеспечивающая определение динамики изменения температурного поля Sous-Vide обработанных функциональных пищевых продуктов на основе животного и растительного сырья. Для расчета процесса Sous-Vide обработки функциональных продуктов применяли дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности с учетом критерия Био. При решении системы дифференциальных уравнений в частных производных использован математический пакет flexPDE. В расчетах использована пространственная сетка с числом узлов 20000, принята точность вычислений 10E-4. При расчетах применяются экспериментально определенные значения теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности и температуропроводности каждого из компонентов пищевой системы...
Бесплатно
Применение редкоземельных магнитов для извлечения магнитных примесей из минеральных премиксов
Статья научная
Проведен анализ вещественного состава металломагнитной примеси из минерального премикса. Показано, что выделенная металломагнитная примесь включает слабомагнитные частицы с низкой магнитной восприимчивостью. Извлечение таких частиц из потока продукта в процессе магнитной сепарации с применением высокоэнергетических редкоземельных магнитов представляет собой сложную задачу.
Бесплатно
Применение ультразвука при сушке макаронных изделий с белковыми добавками
Статья научная
С целью научного и экономического обоснования процесса ускоренного производства макаронных изделий с повышенным содержанием животного белка и жизненно важных нутриентов для работников Заполярья, проведено исследование по модернизации технологического оборудования для их производства и разработан способ производства макаронных изделий повышенной пищевой ценности. В процессе исследования был выявлен ряд противоречий при реализации технологического процесса сушки высокобелковых макаронных изделий в известных конструкциях сушильных шкафов. Повышенное количество измельченного мяса и печени говядины (до 30%) в составе таких изделий, потребовало проведения сушки при высоких температурах в целях исключения повышения кислотности и микробиологической порчи, что неизбежно приводило к потере формы, прочности и растрескиванию. Нами разработано компактное техническое устройство на базе пароконвектомата Angelo Po со встроенным электронным ультразвуковым излучателем УЗАГС-0,3/22-О с интенсивностью около 140 дБ для ускоренной сушки макаронных изделий с высокобелковыми добавками. Предложенная технология позволяет ускорить процесс производства готовой продукции на 24-26%, при снижении энергетических затрат на 8-11%.
Бесплатно
Статья научная
С целью получения печенья для детского питания заданного состава, в том числе в условиях кавитационных воздействий, разработаны принципы стабилизации стадий предварительной подготовки сырья и основных технологических операций. Для получения двухфазных систем при предварительной подготовке сырья разработан комплекс технологических приемов: дезагрегирование муки в условиях аэрации со снижением вязкости на 47% и плотности до 340 кг/м3, перевод твердых жировых компонентов в пластицированное состояние со снижением плотности на 20%, набухание яичного порошка с восстановлением до состояния меланжа, получение 50%-ного раствора солодового экстракта со снижением вязкости. Создание комплекса технологических приемов позволило повысить стабилизацию приготовления суспензии, выделенной в отдельную технологическую стадию, и эмульсии, которые обеспечивают снижение плотности и вязкости, увеличение дисперсности и равномерности распределения компонентов в них. Предложенный прием подачи сахара-песка в суспензию 40-60% и оставшегося количества в эмульсию в условиях применения кавитационных воздействий позволяет снизить средний размер частиц твердой фазы с 25 до 6 мкм и увеличить их количество в 65 раз при сохранении массы...
Бесплатно
Статья научная
Одной из неотъемлемых стадий большинства технологических процессов является стадия разделения продукта или полуфабриката на отдельные порции. Разделение как правило происходит резанием, хотя могут применяться и ряд других способов разделения. Технологическая линия производства конфет «Птичье молоко» оптимизирована для максимального использования сырья и минимизации отходов, что дает высокое качество итогового изделия. При изготовлении применяется способ непрерывной разливки конфетного пласта на конвейерную ленту, с последующей ускоренной выстойкой, делением массы на порционные корпуса, глазированием и упаковкой. Проведено научно-техническое прогнозирование, с целью проанализировать целесообразности изменений в конструкции машины. Для этого составлена модель «черного ящика» операции резки конфетного пласта «Птичье молоко». Для удобства структурирования и оценки значимости факторов использован метод экспертного оценивания, результаты представлены в виде матрицы рангов. Исследование характеристик, оказывающих воздействие на операцию резки кондитерской массы, было выполнено с использованием четырех различных параметров, которые являлись управляющими, управляемые, возмущающие и наблюдаемые, а сам технологический процесс резания выполнялся в комбинированной машине, предназначенной для резки конфетного пласта. Выявленных показателей, оказывающих влияние на качество обработки полуфабриката, оказалось 17. В результате проведенных исследований было установлено, что в технологическом процессе разделения конфетной массы в линии производства конфет «Птичье молоко» к существенным факторам можно отнести следующие пять факторов: жесткость ножа, скорость перемещения для гильотинного ножа и транспортерной ленты, плотность разрезаемой массы, частота вращения и число дисковых ножей.
Бесплатно
Прочностные характеристики семян сафлора
Статья научная
Данная статья посвящена изучению прочностных характеристик семян сафлора. Сафлор – теплолюбивое и засухоустойчивое растение, средняя урожайность составляет 6-12 ц/га, возделывают для получения масла пищевого, а также для технических целей.
Бесплатно
