НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ЧУК ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 664.857.3

ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЙ

ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЇ ПЕРЕРОБКИ ЯБЛУЧНОЇ СИРОВИНИ

05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних

і фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Купчик Михайло Петрович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри технології цукристих речовин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мазуренко Олександр Григорович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри електротехніки

Кандидат технічних наук Шинкарик Марія Миколаївна, доцент кафедри технологічного обладнання харчових виробництв Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України

Захист відбудеться 16 червня 2004 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 058. 02 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ, вул.Володимирська, 68; аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ, вул.Володимирська, 68.

Автореферат розісланий 13 травня 2004р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. Зав’ялов В.Л.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із важливих напрямів підвищення ефективності виробництва харчових продуктів є інтенсивний розвиток сільського господарства і переробних галузей промисловості на основі широкого використання науково-технічних розробок у виробництві, впровадження ресурсо- і енерго-зберігаючих технологій, підвищення якості продукції, що випускається.

В галузі переробки харчової сировини і відходів, що утворюються, є великі невикористані можливості, які могли б стати додатковими резервами отримання продуктів харчування. При реалізації цих можливостей на основі традиційних методів виробництва виникають труднощі.

Типові теплові та хімічні методи обробки не гарантують збереження характеристик сировини та якості готових харчових продуктів, забруднюють навколишнє середовище.

Погіршення екологічного стану довкілля вимагає екологізації всього комплексу. Основою екологізації переробної промисловості являється розвиток безвідходних ресурсозберігаючих технологій, комплексна переробка сільськогосподарської сировини.

Найбільш суттєві зміни в технології та обладнанні харчових виробництв здійснюються на основі використання нових та нетрадиційних методів електрофізичного впливу, з метою інтенсифікації технологічних процесів, які дозволяють виробляти високоякісні та екологічно безпечні продукти харчування і харчові добавки профілактичного та оздоровчого призначення з функціональними властивостями.

В раціоні харчування людини яблуко займає важливе місце, а Україна має значні запаси яблучної сировини. Тому дослідження і розробка комплексної переробки яблучної сировини на основі застосування електротехнологічних процесів електроімпульсної обробки яблучної тканини та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектинових речовин із яблучних вичавок є актуальною і перспективною тематикою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з тематикою Проблемної науково-дослідної лабораторії НУХТ на 2001-2003 р.р. “Теоретичне і експериментальне обгрунтування механізмів плазмолізу і масопереносу в клітинних структурах при електрообробці харчової сировини і технологічних середовищ електрофізичними методами”, № держ. реєстрації 0101U 000454 та є складовою частиною плану держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри технології цукристих речовин НУХТ на 2001-2005 р.р. “Розроблення, удосконалення, інтенсифікація та оптимізація технологічних процесів і апаратурного оформлення у цукровому, крохмале-патоковому та інших виробництвах”.

Автор особисто приймав участь у проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи полягає у розробленні комплексної переробки яблучної сировини шляхом застосування електротехнологічних процесів імпульсного електроплазмолізу тканини яблук та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектинових речовин із яблучних вичавок.

У зв’язку з цим були поставленні такі завдання:

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – електротехнологічні процеси обробки яблучної сировини – імпульсний електроплазмоліз яблучної сировини та технологічних середовищ – електромембранна підготовка екстрагента для вилучення пектинових речовин.

Предмет дослідження – яблучна сировина, яблучний натуральний сік та концентрат, яблучні вичавки, пектиновий екстракт.

Методи досліджень – електрометричні, електрохімічні та фізико-хімічні методи оцінки ефективності застосування електрофізичних способів обробки яблучної сировини і технологічних водних середовищ; контроль якості яблучних соків, пектинопродуктів і екстрагента. Для вивчення механізму електроплазмолізу, узагальнення та оптимізації отриманих результатів використовували методи комп’ютерного моделювання і математичної обробки даних.

Наукова новизна одержених результатів.

вперше науково обґрунтовано ефективність комплексної переробки яблучної сировини з застосуванням електротехнологій;

встановлено ефективні параметри імпульсного електроплазмолізу яблучної тканини, які забезпечують збільшення виходу соку;

досліджено вплив імпульсної електрообробки яблучної сировини на покращення якісних показників і збільшення виходу пектинових речовин із яблучних вичавок;

комп’ютерним моделюванням доведено, що максимальна кількість підведеної енергії, необхідної для досягнення високих ступенів плазмолізу спадає при збільшенні напруженості поля приблизно по експоненційному закону. Тому при ізотермічному режимі обробки найбільшої ефективності електроплазмолізу можливо досягнути при максимальному збільшенні напруженості електричного поля;

удосконалено процес електромембраної підготовки екстрагента для вилучення пектину із яблучних вичавок на основі оцінки ефективності модифікованих біполярних мембран;

показано, що яблучний пектиновий екстракт, отриманий з використанням електротехнологій, має високі комплексоутворювальні характеристики в порівнянні

з традиційними пектинопродуктами, що дозволяє його рекомендувати для оздоровчого і профілактичного харчування.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних,

експериментальних та промислових досліджень електротехнологічних процесів імпульсного електроплазмолізу яблучної тканини та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектину встановлено, що така комплексна переробка яблучної сировини забезпечує підвищення виходу соку на 4-5% і пектинових речовин на 1-1.5% та покращення якості харчових та пектинопродуктів. Це дозволяє організувати безвідходне ресурсозберігаюче і екологічно чисте виробництво продуктів харчування.

Удосконалено технологічний процес і обладнання для електромембранної підготовки екстрагента та спосіб виробництва рідкого яблучного пектину, на який отримано деклараційний патент України на винахід №2001010429 від 19.01.2001р..

Розроблена і затверджена в установленому порядку нормативно-технічна документація: ТУ У 02070938.020-2000 “Вода з рН 1,0..5,0; 7,0..12,0 отримана електродіалізом” і ТУУ 15.8 – 19492247-008-2003. “Яблучний пектиновий екстракт”.

Пропозиції та висновки, що містяться в роботі, рекомендується використовувати для організації комплексної переробки інших плодів і овочів.

Медико-клінічними випробуваннями доведено детоксикаційні властивості пектинопродуктів, отриманих методами електротехнологій.

Проведені виробничі випробування запропонованих електротехнологій переробки яблучної сировини на ТОВ “Летичів-продукт”. Економічний ефект від застосування комплексної переробки яблучної сировини складає 207,18 тис.грн при переробці 11000 т яблук у виробничий сезон 2003 року.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. Полягає в розробленні методик досліджень в лабораторних та промислових умовах, проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробленні і узагальненні їх результатів, безпосередній участі в організації і випуску харчових продуктів і добавок на виробництві та їх використання для пектинопрофілактики населення, підготовці до публікації результатів досліджень і розробленні способу, на який отримано деклараційний патент на винахід.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи апробовано на 67-й і 68-й наукових конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених НУХТ (2002, 2003), на 7-й Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання та нових видів продуктів оздоровчого і спеціального ризначення”(Київ, УДУХТ, 2001) і 8-й міжнародній науково-технічній конференції (Київ, НУХТ, 2003); Международной научно-практической конференции “Научные основы и практическая реализация технологий получения и применения натуральных структурообразователей”(Краснодар, Куб ГТУ, 2002); Международной конференции “Функциональные продукты питания: гигиенические аспекты и безопасность” (Краснодар, Куб ГАУ, 2002).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі 3 статті у наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, 2 деклараційних патенти на винахід та 5 доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 110 сторінках основного тексту. Містить 40 рисунків і 7 таблиць. Список використаної літератури включає 177 вітчизняних та зарубіжних джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, визначені мета та основні завдання досліджень, наведені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі в аналітичному огляді літературних джерел з питань переробки яблучної сировини показано, що Україна є одним з перспективних виробників яблук в Європі, що створює передумови для нарощування виробництва і реалізації соку та пектинопродуктів.

Традиційні технології переробки яблук не гарантують оптимального збалансованого та безвідхідного використання яблучної сировини, мають суттєві резерви збільшення показників продуктивності та якості соків і пектинових екстрактів. Серед існуючих способів удосконалення технологічних процесів переробки яблук найбільш перспективними є електрофізичні методи обробки – імпульсний електроплазмоліз та електромембранна підготовка водних технологічних середовищ для вилучення пектину, що мають суттєві переваги у порівнянні з традиційними способами.

На основі аналізу літературних даних сформульовано конкретні завдання досліджень та наводяться можливі шляхи їх вирішення.

У другому розділі об’єктами досліджень були: свіжі сортосуміші яблук середніх та пізніх термінів дозрівання, натуральні та концентровані яблучні соки, яблучні вичавки, електроактивована вода з різним значенням рН, яблучний пектиновий екстракт.

Дослідження комплексної переробки яблучної сировини із застосуванням електротехнологій проводили згідно програмно-цільової моделі.

Експериментальні дослідження процесів імпульсного електроплазмолізу яблучної тканини, електромембранної обробки води, отримання пектинопродуктів проводили на розроблених лабораторних установках. Для аналізу свіжої яблучної сировини, соку, вичавок і пектинопродуктів використовували сучасні фізико-хімічні методи досліджень та типові методики контролю консервного і пектинового виробництв.

У третьому розділі при вивченні плазмолізу рослинної тканини механізм електропорації приймається в якості основного механізму руйнування клітинних структур , але при цьому необхідно враховувати більш складні колективні ефекти, які пов’язані з дифузійною міграцією вологи, перерозподілом потенціалів в процесі руйнування, ефектами електронагрівання середовища та ін.

Точне врахування впливу усіх цих ефектів на протікання електроплазмолізу є досить складним завданням, для розв’язування якого доцільним є використання комп’ютерного моделювання .

Для моделювання кінетики руйнування рослинної тканини під дією електричних імпульсів використовували наближення лінійних ланцюгів в ізотермічному режимі. Тканину уявляли у вигляді лінійних ланцюгів, складених з клітин кубічної форми зі стороною dc , що оточені мембранною оболонкою товщиною dm ; ус і уm - електропровідності внутрішньоклітинної рідини і мембрани; U – зовнішня прикладена напруга; j – густина струму, що протікає вздовж лінійного ланцюга; N – кількість клітин в лінійному ланцюгу; Pd – ступінь руйнування рослинної тканини; Е – напруженість поля; імп. – тривалість одиничного імпульсу; S=dc2 – площа поперечного розрізу клітини.

Загальна кількість підведеної енергії за час дії одного імпульсу визначається співвідношенням

W=N[Qc+(1-Pd)Q] імп.=E2уefNdcімп=W0д/(д+1-Pd), (1)

де W0=E2NSdcімп уc; Qc=Sj2dm/уm –тепло, що виділяється при проходженні струму в об’ємі мембрани ; Qm=Sj2dс/ус - тепло, що виділяється при проходженні струму в об’ємі внутрішньоклітинної рідини.

Моделювання проводили при наступних значеннях параметрів: N=1000,

dc=10-5м, dm=10-8м, ?m=10-5См/м, ?с=1См/м, імп.=10-4с, ?=dcуm/dmуc=10-2. Результати усереднювали за 100 різними початковими ініціалізаціями.

При даній постановці задачі не враховували процеси локальної генерації тепла і тому підведена енергія W не приводила до нагрівання середовища. Найбільші витрати енергії за період дії одного імпульсу спостерігаються на початку процесу обробки при низькій ступені руйнування клітини Pd>0. При цих умовах спостерігається приблизна пропорційність між W і кількістю прикладених до системи імпульсів. Слід відзначити, що на досить широкому часовому інтервалі, або інтервалі значень W спостерігається приблизно степенева залежність між Pd і W (рис.1,2).

Pd (2)

де ? – коефіцієнт, який майже не залежить від температури та зовнішньої напруги.

Дана залежність підтверджується експериментальними даними D. Knorra, щодо залежності долі незруйнованих клітин (S=1-Pd , fraction of surviving all ) від кількості прикладених імпульсів.

Максимальна кількість підведеної енергії Wmax, яка необхідна для досягнення високого ступеня руйнування (Pd?max), спадає при збільшенні напруженості зовнішнього поля приблизно по експоненційному закону

W (3)

де ? – коефіцієнт , який при температурі 25 0С дорівнює 40.

Таким чином при ізометричному режимі електрообробки найбільшої ефективності імпульсного елетроплазмолізу можна досягти при максимальному

збільшенні напруженості поля , що можливо реалізувати в промислових умовах при оптимальному апаратурному оформленні процесу

У четвертому розділі для електроплазмолізу яблучної сировини застосовували імпульсні електричні поля, що пов’язано з можливістю вибору форм імпульсів, тривалості імпульсів та пауз, регулювання в широких межах напруженості поля, а отже гнучкістю режимів підводу енергії до системи. Досліджено вплив тривалості імпульсів, тривалості пауз між імпульсами та величини напруженності імпульсного електичного поля на ефективність процесу електроплазмолізу яблучної тканини.

Імпульсне електричне поле характеризується чергуванням імпульсів і пауз. При цьому відбувається електрична дія, а також можуть протікати вторинні процеси неелектричної дії, а саме процеси дифузійної міграції вологи із плазмолізованих клітин. Тому ці параметри суттєво впливають на ефективність та повноту процесу електрообробки яблучної тканини.

Для електричних полів різної тривалості імпульсів (рис. 3) та пауз між імпульсами (рис.4) суттєвий вплив на величину ступеня плазмолізу яблучної тканини відбувається в початковий період обробки з подальшим послабленням темпів зростання величини плазмолізу. Причому із збільшенням тривалості імпульсів ефективність плазмолізу зростає (рис. 5), а з ростом тривалості пауз між імпульсами величина ступеня плазмолізу зменшується (рис. 6) .

Аналіз отриманих залежностей (рис. 3–6) показує, що суттєве зростання величини плазмолізу спостерігається в перший момент процесу електрообробки (?проц ? 1 с). При збільшенні тривалості процесу ефективність електроплазмолізу поступово слідує до максимально можливої величини. Такий результат може бути пояснений впливом процесів дифузійної міграції вологи з плазмолізованих клітин. Характеристичний час міграції вологи згідно рівняння Ейнштейна - Смолуховського складає близько 1 с. При тривалості електрообробки до 1 с процеси дифузійної міграції вологи не встигають вплинути на ефективність плазмолізних процесів, тому зростання електропровідності тканини відбувається за рахунок електричного впливу (електропорації) і визначається тривалістю імпульсів і пауз між імпульсами. При збільшенні міжімпульсної паузи вплив процесів дифузійної міграції вологи посилюється, що зменшує ступінь плазмолізу. Дифузійна міграція вологи сприяє підвищенню навколо зруйнованих клітин провідності тканини і утворенню високопровідних ділянок, при цьому спостерігається висока нерівномірність з швидким утворенням перколяційного каналу, що підтверджується зростанням сили струму і збільшенням втрат електроенергії. Щоб уникнути цього явища, необхідно щоб тривалість імпульсів була не менше 0,01с, величина пауз між імпульсами ? 0,01 с, і загальна тривалість процесу електрообробки не перевищувала характеристичного часу процесів дифузійної міграції вологи.

Одним з найбільш важливих факторів, що визначають хід і результат електроплазмолізних процесів яблучної тканини є напруженість імпульсного електричного поля.

Встановлено, що при збільшенні напруженності поля з 150 В/см до 550 В/см ефективність процесу плазмолізу зростає до рівня, що відповідає практично повному плазмолізу клітинних структур. Такий результат пояснюється перколяційною теорією електроплазмолізу біологічних тканин, оскільки зростання напруженності поля приводить до збільшення ступеня плазмолізу на початку процесу, що і сприяє утворенню перколяційних кластерів більшого розміру і посиленню однорідності структури плазмолізу яблучної тканини.

При встановлених ефективних параметрах імпульсного електричного поля досліджено вплив електрообробки подрібненої яблучної сировини на вихід яблучного соку при її пресуванні.

Показано, що при збільшенні тривалості процесу імпульсної електрообробки вихід яблучного соку зростає на 20 %.

Таким чином імпульсне електричне поле ефективно плазмолізує рослинну тканину, збільшує клітинну проникність і забезпечує підвищення ефективності переробки яблучної сировини.

У пятому розділі основою для удосконалення процесу електромембранної підготовки води і його апаратурного оформлення для виробництва пектинопродуктів є використання біполярної мембрани МБ–3, яка має малу перенапругу в режимі генерації іонів Н+ і ОН-, покращених гідродинамічних режимах та глибокого зм’якшення води.

Основними характеристиками біполярних мембран від яких залежить концентрація іонів Н+ і ОН-, чистота розчинів, енерговитрати та інші параметри

процесу є вольт-амперні залежності і числа переносу аніонів кислот і катіонів лугу через мембрану. Досліджено основні електрохімічні характеристики біполярної мембрани МБ–3.

Така мембрана має значно менше падіння напруги (до 100 мВ) в порівнянні з мембраною МБ–1, кращі числа переносу іонів Cl- і незмінні числа переносу іонів Na+, причому в процесі експлуатації електромембранного апарата ці величини практично не змінюються. Одержані дані свідчать про те, що модифікована біполярна мембрана МБ–3 має суттєво кращі електрохімічні характеристики, що забезпечує зниження енерговитрат і високу чистоту екстрагента для вилучення пектину. При пом’якшенні води до жорсткості 0,02 мг екв/л мембранні системи при тривалій експлуатації не погіршують електрохімічні властивості.

З метою встановлення ефективних параметрів процесу електромембранної обробки зм’якшеної води (жорсткість 0,02 мг екв/л) досліджено вплив густини електричного струму, площі поверхні мембрани, тривалості обробки, швидкості потоку води , концентрації електроліта NaCl на зміну величини її рН.

Показано, що при густині електричного струму 40-60 А/см2, концентрації електроліта NaCl 1-4% і заданої площі мембрани, швидкості потоку і тривалості обробки електромембранний апарат забезпечує отримання в прямоточному режимі екстрагента з рН=2,0…2,2 , а в циркуляційному режимі з рН=1,5…1,8.

На основі обробки експериментальних даних одержано залежність , яка характеризує зміну величини рН води від тривалості її обробки, об’єму оброблюваної води й площі мембран в електромембранному апараті при заданих (за експлуатаційними вимогами) густині струму і швидкості потоку

рН=3,273-lg(S /V) , (4)

де S- активна поверхня біполярних мембран, м2; – тривалість обробки, год

=1875-exp(-pH)V/S , (5)

де V – об’єм оброблюваної води, м3.

Таким чином електромембранний апарат набраний біполярними мембранами МБ-3 при встановлених режимах обробки може ефективно генерувати іони водню і змінювати рН води в широких межах.

У шостому розділі. На основі теоретичних і експериментальних досліджень імпульсного електроплазмолізу яблучної сировини та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектину із яблучних вичавок, запропонована комплексна технологія переробки яблук із застосуванням даних електротехнологій.

Розраховано циліндричну камеру для імпульсної електрообробки і запропоновано для технологічної лінії переробки яблучної сировини два послідовно розміщених електроплазмолізатори.

Результатами промислових досліджень доведено, що натуральний яблучний і концентрований яблучний соки по органоліптичним і фізико-хімічним показникам відповідають вимогам ГОСТ 18192-72, а вихід яблучного соку при використанні імпульсного електроплазмолізу збільшується на 4,8%.

На основі запропонованих конструкторських рішень та способів проведення електромембранного процесу обробки води удосконалена 3-х модульна електродіалізна установка для підготовки екстрагента, продуктивність модуля екстрагента 1м3/год з рН 1,8…2,8. Розроблена нормативно технічна документація ТУ У 02070938.020-2000„Вода з рН 1,0…5,0; 7,0…12,0 отримана електродіалізом”.

Виробничі випробування підтвердили можливість виробництва високоякісного пектинового екстракту із яблучних вичавок на основі електроактивованої водної системи, що відповідає вимогам розроблених нами ТУУ 15.8 – 19492247-008-2003 ,,Яблучний пектиновий екстракт ,,.

Причому вихід і якість яблучного пектинового екстракту підвищується при його отриманні із електроплазмолізованих яблучних вичавок.

На основі запропонованих електротехнологічних процесів та їх апаратурного оформлення розроблена апаратурно-технологічна схема комплексної переробки яблучної сировини із застосуванням електротехнологій, яка впроваджена на ТОВ ,,Летичів-продукт,,. Результати роботи сокового і пектинового цехів протягом двох останніх виробничих сезонів після впровадження (таблиця 1) підтвердили її ефективність з реальним річним економічним ефектом 207,18тис.грн.

Таблиця 1.

Техніко- економічні показники комплексної переробки яблучної сировини із застосуванням електротехнологій.

Найменування показників | Комплексна переробка | Традиційна переробка

Кількість сухих речовин в яблуках на період впровадження НДР, % | 12,0 | 12

Кількість яблук витрачених на 1т концентрованого соку, кг | 9691 | 10156

Сухі речовини яблучного соку, % | 12,0 | 12

Сухі речовини концентрованого соку, % | 65 | 65

Собівартість яблучного концентрованого соку, грн/т | 2257,187 | 2327,99

Витрати електроенергії в кВт/год | 184 | 150

Вміст пектинових речовин, % | 1,7 | -

Кислотність концентрованого соку, РН | 3,2 | 3,2

Вміст сухих речовин в пектиновому екстракті, % | 3,5 | -

Витрати лимонної кислоти, кг | - | 531,72

Збільшення виходу пектинового екстракту, % | 0,5 | -

Витрати елетроенергії кВт/год | 21,84 | -

Собівартість згідно акту, грн/т | 1007,02 | 1604,36

Економічний ефект при виготовленні 300 тонн пектинового екстракту згідно акту, тис.грн |

136,38 | -

Економічний ефект при виготовленні 1000 тонн яблучного концентрованого соку згідно акту, тис.грн |

70,8 | -

Загальний економічний ефект | 207,18 | -

Дослідженнями комплексоутворювальної здатності яблучного пектинового екстракту отриманого з використанням електротехнологій підтверджена можливість використання пектинопродуктів для профілактичного і лікувально-оздоровчого харчування.

ВИСНОВКИ

На підставі системного аналізу науково-технічної літератури, теоретичних, експериментальних і промислових досліджень запропонована комплексна переробка яблучної сировини з застосуванням електротехнологічних процесів імпульсного електроплазмолізу яблучної тканини та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектинових речовин із яблучних вичавок. Реалізація запропонованих електротехнологій забезпечить

підвищення ефективності процесів і апаратів для переробки яблук та підвищення якості натурального і концентрованого яблучних соків і пектинопродуктів.

1. Встановлено, що ефективність імпульсної електрообробки яблучної тканини визначається величинами тривалості імпульсів (імп 0,01 с), тривалості пауз між імпульсами (пауз 0,01 с) і напруженості електричного поля (Е 200 В/см); причому загальна тривалість процесу імпульсного електроплазмолізу не повинна перевищувати характеристичного часу процесів дифузійної міграції вологи.

2. Показано, що при встановлених ефективних параметрах імпульсної електрообробки яблучної подрібненої сировини вихід соку після пресування плазмолізованої мезги збільшується на 20 %.

3. Комп’ютерним моделюванням електроруйнування яблучної тканини в імпульсному електричному полі при ізотермічному режимі доведено, що в широкому часовому інтервалі спостерігається приблизно степенева залежність між ефективністю електроплазмолізу і величиною підведеної електроенергії.

4. Показано, що при збільшенні напруженості зовнішнього поля максимальна кількість підведеної електроенергії, що необхідна для досягнення високих ефектів електроплазмолізу, спадає приблизно по експоненційному закону. Тому в ізотермічному режимі імпульсної електрообробки яблучної сировини найбільшої ефективності електроплазмолізу можливо досягнути при максимальному збільшенні напруженості електричного поля.

5. Встановлено, що при гідроліз-екстрагуванні пектину електроактивованою водою із яблучних вичавок, які отримані з електроплазмолізованої яблучної сировини, збільшується його вихід та якісні показники.

6. Досліджено, що біполярна мембрана МБ-3 має значно менші падіння напруги (до 100 мВ) і числа переносу іонів Cl–, що забезпечує зниження енерговитрат при електромембранному отриманні екстракту і підвищення його чистоти. В процесі експлуатації електромембранного апарата електрохімічні характеристики біполярних мембран практично не змінюються, при використанні пом’якшеної води із жорсткістю 0,01…0,02 мг-екв/л.

7. Визначено, що при густині електричного струму 40-60 А/м2, концентрації NaCl 1…4 % в розчині електроліта можливо в прямоточному режимі отримувати

екстрагент з рН = 2,0...2,2, а в циркуляційному – з рН = 1,5...1,8. Для розрахунку електромембранного процесу отримані математичні залежності.

8. Запропонована удосконалена модульна електромембранна установка для отримання електроактивованої води. Продуктивність одного модуля 1 м3/год екстрагента з рН = 1,8...2,0.

9. Досліджено, що здатність яблучного пектинового екстракту сорбувати іони токсичних металів з водних середовищ, що моделюють сольовий фон організму, збільшується в ряду: Pb2+ Cu2+ Cd2+ Sr2+ Mn2+. Показано, що яблучний пектиновий екстракт, отриманий з використанням електротехнологій має кращі комплексоутворюючі характеристики в порівнянні із сухим яблучним пектином і є перспективним для застосування у лікувально-профілактичному харчуванні.

10. За результатами проведених промислових випробувань комплексної переробки яблучної сировини з застосуванням запропонованих електротехнологій встановлено, що вихід

яблучного соку збільшується на 4,8 %, ефект вилучення пектинових речовин із яблучних вичавок зростає на 0,1…1,0 % та покращуються якісні показники отриманих харчових продуктів і добавок. Річний економічний ефект від впровадження нової комплексної переробки яблучної сировини на ТОВ „Летичів-продукт” складає 207,18 тис. грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації.

1. Енергозбережна технологія яблучного пектину і пектинопродуктів //Є.С.Богданов, М.П.Купчик, Л.С.Дегтярьов, В.В.Чук. Наукові праці НУХТ. - 2002. - С. 63-65.

Особистий внесок: участь в експериментальних дослідженнях, участь в аналізі та узагальненні результатів, підготовка матеріалів до публікації.

2.Сухий пектин /М.П.Купчик, І.С.Гулий, Є.С.Богданов, І.О.Крапивницька, В.В.Чук. Харчова і переробна промисловість. - 2002. - № 12. - С. 13-14.

Особистий внесок: експериментальні дослідження, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

3. Комплексоутворююча здатність пектинопродуктів, одержаних з використанням електротехнології /М.П.Купчик, В.В.Чук, Л.А.Купчик, М.Т.Картель. Харчова і переробна промисловість. - 2003. - № 6. - С. 20-21.

Особистий внесок: Узагальнення результатів проведених експериментальних досліджень, підготовка матеріалів до публікації.

4. Деклараційний патент України на винахід № 39038А. Спосіб виробництва рідкого яблучного пектину /І.О.Крапивницька, О.В.Кушнір, О.В.Трачевський, А.І.Свінціцька, М.П.Купчик, Є.С.Богданов, О.В.Стрельбицький, В.В.Чук. Опубл. 15.05.01. Бюл. № 4.

Особистий внесок: участь в розроблені програми досліджень, опрацювання результатів проведених експериментів.

5. Деклараційний патент України на винахід № 60743А від 12.02.2003р. Спосіб одержання низькоетерифікованого пектину /В.В.Чук, О.В.Богданова, М.П.Купчик, Є.С.Богданов, А.С.Дехтяров. Опубл. 15.10.03. Бюл. № 10.

Особистий внесок: участь в розробленні програми досліджень, опрацювання результатів проведених експериментів.

6. Е.С.Богданов, М.П.Купчик, Л.С.Дегтярев, В.В.Чук.

Энергосберегающая технология яблучного пектина и пектинопродуктов.

Материалы международной научно-практической конференции "Научные основы и практическая реализация технологий получения и применения натуральных структурообразователей" - Краснодар: КубГТУ, 2002,с.55-58.

Особистий внесок: доопрацювання методики досліджень, експериментальні дослідження, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

7. М.П.Купчик, И.С.Гулый, Л.С.Дегтярев, Е.С.Богданов, В.В.Чук. Производство натуральных структурообразователей с использованием электротехнологий. Материалы международной научно-практической конференции "Научные основы и практическая реализация технологий получения и применения натуральных структурообразователей" - Краснодар: КубГТУ, 2002, с70-73

Особистий внесок: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

8. Производство пектина и пектинопродуктов с использованием экологически безопасных электротехнологий /М.П.Купчик, А.И.Украинец, В.В.Чук, И.А.Крапивницкая, Е.С.Богданов. - Материалы международной конференции. - Краснодар: КубГАУ. - 2003. - С. 92-95.

Особистий внесок: експериментальні дослідження, узагальнення результатів, вивчення літератури, підготовка матеріалів до публікації.

9. Сорбция ионов тяжелых металлов яблочными пектинопродуктами, полученными с использованием электротехнологии /Л.А.Купчик, М.Т.Картель, В.В.Чук, М.П.Купчик. Материалы международной конференции. - Краснодар: КубГАУ. - 2003. - С. 95-97.

Особистий внесок: узагальнення результатів, експериментальні дослідження, підготовка матеріалу до публікації.

10.Організація виробництва пектинопродуктів з використанням електротехнологій на ТОВ”Летичів-продукт” / В.В.Чук ,М.П. Купчик І.О. Крапивницька,Є.С.Богданов. Програми і матеріали 69-тої наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для переробної та харчової промисловості ”.ч.2, с.14.-Київ.НУХТ.2003 р.

Особистий внесок: впровадження умпульсного електроплазмолізу та електродіалізної установки, проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

Анотація

Чук В.В. Застосування електротехнологій для комплексної переробки яблучної сировини. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і

фармацевтичних виробництв – Національний університет харчових технологій, Київ, 2004.

В дисертації представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень підвищення ефективності комплексної переробки яблучної сировини шляхом застосування електротехнологічних процесів імпульсного електроплазмолізу яблучної тканини та електромембранної підготовки екстрагента для вилучення пектинових речовин із яблучних вичавок.

Показано, що при встановлених ефективних параметрах імпульсної електрообробки яблучної сировини вихід яблучного соку після пресування плазмолізованої мезги зростає до 20%.

становлено, що використання біполярної мембрани МБ-3 з покращеними електрохімічними характеристиками, глибоко пом’якшеної води і удосконалених гідродинамічних режимів забезпечує підвищення ефективності процессу електромембранної підготовки екстрагента і економії витрат електроенергії. Розроблена апаратурно-технологічна схема комплексної переробки яблучної сировини із застосуванням електротехнологій, яка випробувана та впроваджена на ТОВ “ Летичів – продукт”, обгрунтована її економічна ефективність.

Ключові слова: імпульсний електроплазмоліз, електромембранна обробка, яблучна сировина, яблучний сік, яблучний пектиновий екстракт.

Аннотация.

Чук В.В. Применение электротехнологий для комплексной переработки яблочного сырья. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств.- Национальний университет пищевых технологий, Киев, 2004.

В диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований повышения эффективности комплексной переработки яблочного сырья путем использования электротехнологических процессов импульсного электроплазмолиза яблочной ткани и электромембранной подготовки экстрагента для извлечения пектиновых веществ из яблочных выжимок, так как традиционные технологии переработки не гарантируют оптимально збалансированного и безотходного использования яблок, имеют существенные резервы увеличения показателей производительности, а также качества соков и пектинопродуктов.

Осуществлен расчет цилиндрической камеры для импульсной электрообработки и на этой основе предложены две последовательно размещенных электродных камеры с разновысокими пластинчатыми электродами, которые равномерно распределены по периметру трубы.

Исследовано влияние основных параметров импульсной электрообработки яблочного сырья:

-напряженности электрического поля;

-продолжительности импульсов;

-продолжительности пауз между импульсами на еффективность электроплазмолиза яблочной ткани.

Определены эффективные параметры импульсной электрообработки яблочной ткани : продолжительность импульсов(імп 0,01 с), длительность пауз

между импульсами (пауз 0,01 с), напряженность поля (Е 200 В/см). Показано, что при определенных эффективных параметрах импульсной электрообработки яблочной мезги, выход яблочного сока после ее прессования увеличивается на 20%.

Компьютерным моделированием доказано, что максимальное количество подведенной энергии необходимой для достижения высоких степеней плазмолиза падает при увеличении напряженности поля по экспоненциальному закону. Поэтому при изотермическом режиме обработки максимальной эффективности электроплазмолиза возможно достичь при наибольшем увеличении напряженности электрического поля.

Изучены основные электрохимические характеристики биполярной мембраны МБ-3 и показаны перспективы ее использования в электромембранных аппаратах подготовки экстрагента для извлечения пектиновых веществ.

Установлено, что такая мембрана имеет значительно меньшее значение падения напряжения (до 100 мВ ) и числа переноса ионов Cl–, а также обеспечивает снижение энергозатрат при электромембранной подготовке экстрагента и повышение его чистоты. При использовании глубоко умягченной воды с жесткостью 0,02 мг-экв/л в процессе эсплуатации электромембранного аппарата электрохимические свойства биполярных мембран практически не изменяются.

Показано, что при плотности электрического тока 40… 60 А/м2, концентрации NaCl 1-4% в растворе электролита возможно в прямоточном режиме получать экстрагент с рН 2,0…2,2; а при циркуляционном режиме – с рН 1,5…1,8. Для расчета электромембранного процесса получены математические зависимости. Предложена усовершенствованная 3-х модульная электромембранная установка для получения электроактивированной воды с производительностью одного модуля 1м3/час экстрагента с рН 1,8…2,0.

Предложена методика расчета электродной камеры цилиндрического электроплазмолизатора. Установлено, что импульсная электрообработка яблочного сырья обеспечивает увеличение выхода и качества яблочного пектинового экстракта из плазмолизованных яблочных выжимок.

На электроактивированную водную систему и яблочный пектиновый экстракт разработана нормативно-техническая документация.

Разработана аппаратурно-технологическая схема комплексной переработки яблочного сырья с использованием электротехнологий.

По результатам проведенных промышленных исследований комплексной переработки яблочного сырья с применением предложенных электротехнологий, установлено, что выход яблочного сока увеличивается на 4,8%, эффект извлечения пектиновых веществ из яблочной мезги возрастает на 0,1…1,0% и увеличиваются качественные показатели полученных пищевых продуктов и добавок. Показана экономическая эффективность внедрения.

Исследована способность яблочного пектинового экстракта сорбировать ионы токсичных и тяжелых металлов из водных сред, моделирующих солевой фон организма, причем она увеличивается в ряду: Pb2+ Cu2+ Cd2+ Sr2+ Mn2+.

Показано, что яблочный пектиновый экстракт, полученный с использованием электротехнологий, имеет лучшие комплексообразующие характеристики в

сравнении с сухим яблочным пектином и является перпективным для использования в лечебно-профилактическом питании.

Ключевые слова: импульсный электроплазмолиз, электромембранная обработка, яблочное сырье, яблочный сок, яблочный пектиновый экстракт.

Annotation

Chuk V.V. Аpplication electrotechnology for complex processing of malic raw material.- the Manuscript.

Thesis on obtaining of a scientific degree of the candidate of engineering science

behind a speciality 05.18.12-Processes and Inventory of Food, Microbialogic and

Pharmaceutical Engineering, National University of Food Technologies, Kiev, Ukraine, 2004.

In a thesis the results theoretical and experimental researches of pinch of efficiency of complex processing of malic raw material are submitted by application of master schedules of pulsing electroplasmolysis of a malic tissue and electromembranous opening-up of extragent for withdraw of pectic materials from malic vichavok. Is rotined, that at set effective parameters of pulsing electroprocessing of malic raw material the yield of malic juice after a molding plasmolysis mezgi increases on 20 %. Set, that usage of a modified bipolar membrane MB-3 with the improved electrochemical performances, is penetrating softened waters and improved magnetohydrodynamic modes provides pinch of efficiency of process of electromembranous opening-up of extragent and economies of power consumptions. The designed hardware - flow diagram of complex processing of malic raw material with application of electrotechnologies, which one is tested, is injected on ALR "Letichev-product" and the economic efficiency is demonstrated.

Keywords: pulsing electroplasmolysis, malic raw material , malic juice, malic pectic extract.