НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

МАРИНІН АНДРІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 621.7.044.4: 664.1/663.941

РОЗРОБЛЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ІМПУЛЬСНОГО ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНОГО СПОСОБУ ОБРОБЛЕННЯ СИРОВИНИ РОСЛИННОГО ПОХОДЖЕННЯ

Спеціальність: 05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: | кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Дашковський Юрій Олександрович,

Національний університет харчових технологій, завідувач проблемної науково-дослідної лабораторії

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Соколенко Анатолій Іванович,

Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри технічної механіки і пакувальної техніки

кандидат технічних наук, доцент

Соколов Сергій Анатолійович,

Донецький національний університет економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського, доцент кафедри загальноінженерних дисциплін,

заступник директора Інституту харчових виробництв Донецького національного університету економіки і торгівлі

ім. М. Туган-Барановського

Захист відбудеться “26” грудня 2007 р. о 14.00 годині 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 ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою:

01033 м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий „26„ листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., Л.О. Кривопляс-Володіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток харчової промисловості України ставить дедалі жорсткіші умови до якості готової продукції, її асортименту, зниження втрат сировини та енергоресурсів. Одним з актуальних питань сьогодення є розроблення енергоощадних мало-відходних процесів перероблення сировини на кінцевий продукт за рахунок впровадження нових способів інтенсифікації технологічних процесів.

Основною проблемою традиційних способів оброблення рослинної сировини, яка є одним з основних об’єктів перероблення в харчовій, фармацевтичній, мікробіологічної, хімічній та інших галузях народного господарства, є недостатньо висока ефективність та глибина перероблення.

Нині, перспективним напрямом у розробленні нових процесів харчових виробництв є застосування електрофізичних методів оброблення. Особливий інтерес викликає високовольтний імпульсний розряд у рідині, наслідком дії якого є електрогідравлічний ефект, який за рахунок введення порцій енергії в імпульсному режимі перетворює її на механічну без додаткових проміжних ланок. Суть цього способу полягає у здійсненні всередині об’єму рідини спеціально сформованого імпульсного електричного (іскрового, кистьового чи інших форм) розряду, який сприяє утворенню високих гідравлічних тисків, що здатні виконувати корисну механічну роботу та супроводжується комплексом фізичних і хімічних явищ.

Дослідження електрогідравлічного ефекту та застосування його для оброблення рослинної сировини дасть змогу отримати продукти та напівпродукти з покращеними фізико-хімічними властивостями й підвищити ефективність існуючих процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились відповідно до Держбюджетних тематик науково-дослідних робіт НУХТ: “Розроблення технологій одержання харчових продуктів та напівпродуктів із застосуванням електро-гідравлічного ефекту” № 0101U000451; „Застосування енергетичних полів для розроблення нових і удосконалення існуючих процесів і технологій перероблення харчової сировини” № 0103U001131.

Автор брав особисту участь у проведенні експериментальних досліджень та виробничих випробовуваннях, аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є наукове обґрунтування та розроблення способу імпульсного високовольтного електрогідравлічного оброблення (ЕГО) різних харчових середовищ: сокостружкової суміші та дифузійного соку бурякоцукрового виробництва, суспензії цикорію.

Завданнями дисертаційної роботи є:

- обґрунтувати вибір та дати загальну характеристику сировини, обраної для досліджень;

- дослідити вплив параметрів розрядного контуру на енергетичні характеристики при електрогідравлічному розряді в рідині;

- вивчити вплив режимів імпульсного електрогідравлічного оброблення на якісні показники дифузійного соку, структурні зміни в тканині цукрового буряку та її електричні параметри, ступінь плазмолізу, зміну контамінаційної мікрофлори, фізико-хімічні властивості розчину цукрози;

- дослідити вплив режимів ЕГО сокостружкової суміші на якість дифузійного соку залежно від корекцій температури екстрагування;

- провести математичний аналіз результатів експерименталь-них досліджень ЕГО сокостружкової суміші;

- дослідити вплив режимів електрогідравлічного оброблення на процес гідролізу біокомпонентів цикорію для отримання фруктозо-олігосахаридних сумішей;

- розробити дослідно-промислову електрогідравлічну установку та провести виробничі дослідження процесу ЕГО сокостружкової суміші;

- розробити принципову апаратурно-технологічну схему отримання дифузійного соку з використанням електрогідро-плазмолізатора.

Об’єкт дослідження: електрогідравлічний спосіб.

Предмет дослідження: вплив ЕГО на властивості тканини цукрового буряку, сокостружкової суміші, дифузійного соку, суспензії цикорію.

Методи дослідження: мікроскопічний аналіз, кондуктометрія, метод дисперсійного аналізу на основі лазерної дефракції, стандартні для бурякоцукрового виробництва методи аналізу напівпродуктів, математичне моделювання та статистичний аналіз дослідних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено вплив режимів ЕГО на структурні зміни та електричні параметри тканини

цукрового буряку. Експериментально встановлено, що в дифузійному соці, отриманому після дії ЕГО на сокостружкову суміш, спостерігається підвищення чистоти, зменшення забарвленості та контамінаційної мікрофлори.

Встановлено, що ЕГО сокостружкової суміші внаслідок комплексу фізичних та хімічних впливів підвищує ступінь плазмолізу. Встановлено раціональний режим ЕГО сокостружкової суміші та скореговано температуру проведення процесу екстрагування.

Доведено, що після ЕГО модельного розчину цукрози її руйнування не виявлено та встановлено механізми збільшення її електропровідності. Експериментально встановлено збільшення чистоти дифузійного соку, зменшення переходу в дифузійний сік пектинових речовин, високомолекулярних сполук (ВМС) та загального азоту. Кількість редукувальних речовин та вміст інвертного цукру в дифузійному соці залишаються незмінними.

Розроблено методику розрахунку внутрішньої енергії, що виділяється в каналі розряду, отримано розподілення термо-динамічних параметрів середовища на фронті ударної хвилі при імпульсному високовольтному розряді в сокостружковій суміші.

Вперше досліджено вплив режимів ЕГО на гідроліз біокомпонентів цикорію та встановлено раціональні умови цього процесу.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі проведених наукових досліджень та узагальнення результатів розроблено та виготовлено установку для електроіскрового оброблення рідких середовищ, захищену деклараційним патентом України № 22033 від 10.04.2007 р.

Дана установка використовується як для наукових досліджень в Проблемній науково-дослідній лабораторії, так і в навчальному процесі НУХТ.

Розроблено спосіб інактивації мікроорганізмів за допомогою електрогідравлічного ефекту, захищений патентом України № 17173 від 15.09.2006 р.

Запропоновано спосіб одержання фруктозо-олігосахаридних сумішей за допомогою електрогідравлічного ефекту, захищений патентом України № 14753 від 15.05.2006 р.

Розроблено апаратурно-технологічну схему отримання дифузійного соку з використанням ЕГО сокостружкової суміші в електрогідроплазмолізаторі перед колонним дифузійним апаратом, який випробувано на ВАТ „Красилівський цукровий завод”, про що

свідчить Акт виробничих випробовувань та деклараційний патент України № 22034 від 10.04.2007 р.

Особистий внесок здобувача полягає у розробленні експериментальної та дослідно-промислової електрогідравлічної установки, методик досліджень, обробленні досліджень результатів ЕГО об’єктів дослідження, проведенні лабораторних і промислових досліджень, підготовку публікацій.

У співавторстві виконано: розроблення методик проведення наукових досліджень – з д.т.н., проф. А.І. Українцем; удосконалення експериментальної установки – з к.т.н. В.В. Олішевським; впливу ЕГО на фізико-хімічні властивості сокостружкової суміші – з д.т.н., проф. А.І. Українцем та к.т.н. В.П. Василівим; впливу ЕГО на фізико-хімічні властивості суспензій цикорію – з к.х.н., Г.О. Лезенко.

Аналіз та узагальнення результатів досліджень виконано спільно з науковим керівником к.т.н., с.н.с. Ю.О. Дашковським.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на Наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів НУХТ (Київ, 2002, 2004, 2005, 2007 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції „Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка”, (Донецьк, 2007 р.), Міжнародній науковій школі-семінарі „Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ”, (Миколаїв, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 робіт, з них: 5 статей у фахових виданнях, 5 деклараційних патентів України, 7 тез доповідей на наукових конференціях, загальний обсяг 1,9 авторських аркушів.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку бібліографічних джерел із 182 найменувань та 12 додатків. Роботу викладено на 117 сторінках машинописного тексту, містить 30 ілюстрацій та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні завдання досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність роботи.

У розділі 1 дано характеристику вибраної для досліджень рослинної сировини, проаналізовано стан сучасних методів оброблення рослинної сировини фізичними методами.

Показано, що перспективним способом інтенсифікації харчових виробництв, зниження енерговитрат та покращення якості отриманих продуктів і напівпродуктів є застосування ЕГО, суть якого полягає у перетворенні електричної енергії на механічну без допоміжних ланок. Аналіз сучасного стану проблеми дав підстави обрати основні напрями та сформулювати конкретні завдання досліджень.

У розділі 2 викладено методи досліджень сокостружкової суміші та дифузійного соку, тканини цукрового буряку бурякоцукрового виробництва, модельних розчинів цукрози та інуліну, промислових зразків суспензій цикорію.

Експериментальні дослідження процесу ЕГО згаданих об’єктів проводили на розробленій експериментальній електрогідравлічній установці (рис. 1).

Установка складається із електророзрядної камери 1, в яку через ізоляційний матеріал встановлено електродну систему “вістря-площина” 6, 10 та генератора імпульсних струмів ГІТ 50-5х1/4С УХЛ4 з вихідною потужністю 20 кВт, частотою слідування розрядів 2 Гц, енергією що виділяється в каналі розряду до 5 кДж, напругою між електродами від 1 до 50 кВ. В момент підключення ГІТ між електродами виникає імпульсний електричний розряд. Об’єм робочої камери складає 2700 см3. |

Рис. 1. Принципова схема експериментальної електрогідравліч-ної установки:

1 – електророзрядна камера; 2 – станина; 3 – хомут; 4 – кришка; 5 – ізолятор; 6 – позитивний електрод;

7 – високовольтні кабелі; 8 – генера-тор імпульсних струмів; 9, 11 – технологічні отвори; 10 – негативний електрод.

РП – розрядний проміжок; ФП – формуючий проміжок; Тр – транс-форматор; В – випростувач; R – зарядний опір; C – конденсатор.

Для аналізу досліджуваних зразків у роботі використано загальноприйняті та спеціальні методики досліджень і аналізів.

Для математичного оброблення експериментальних досліджень ЕГО сокостружкової суміші використані методики, які ґрунтуються на основі теорії функціональних рівнянь і метода дисперсійного аналізу.

Вид функціональних залежностей між характеристиками дифузійного соку та параметрами ЕГО визначали з умови мінімуму суми квадратів відхилень табличних значень yi від емпіричних y*i:

(1)

Системи нормальних рівнянь розв’язували модифікованим методом послідовних наближень:

(2)

при для сходжуваності ітераційного процесу. Для оптимізації процесу згідно з Р. Беллманом вважали досліджувальний процес N-кроковим, стан його описується n – мірним вектором s=(s1,s2,…,sn).

Розглянемо функціональні рівняння:

(3)

в області

Для кожного стану в момент часу значення вектора які максимізують .

Перехід між станами на k–му кроці відбувається у відповідності з рівнянням стану:

(4)

Ми отримали систему рівнянь для аналізу результатів експериментальних досліджень процесу ЕГО сокостружкової суміші, яку можна сформулювати як багатокрокову задачу оптимізації, що має вигляд:

(5)

де – m-мірний вектор керування, вибраний на k–му кроці;

– n-мірний вектор станів простору ;

– задана n-мірна вектор-функція аргументів .

Для розв’язання багатокрокової задачі оптимізації (5) методом динамічного програмування використовували принцип оптимальності Р. Беллмана. Вибір на кожному з кроків керуючою змінною випливає з критерію оптимальності:

при (6)

При цьому функції пов’язані між собою такими рекурентними співвідношеннями (рівняння Р. Беллмана):

(7)

Аналізуючи послідовно кроки з кінця рівняння (6) до початку рівняння (7) процесу розділення при k=1, отримали сукупність максимальних цільових функцій і оптимальних рівнянь відповідно до кожного кроку:

, (8)

. (9)

Для розрахунку основних значень характеристик (8) і (9) використовуємо таблиці.

Алгоритм методу динамічного програмування здійснюється у два етапи: на першому проводиться умовна, на другому – безумовна оптимізації. Загальний приріст активності дорівнює сумі приростів чистоти по кожному експерименту.

Проведено дослідження методу функціональних рівнянь на точність і стійкість, де послідовність матриць Ак0 при к зводиться до матриці А, причому А<1. Для перевірки гіпотези про рівність середніх застосували однофакторний дисперсійний аналіз з надійністю оцінки 0,95. По таблиці розподілення знаходили і перевіряли його . При використовували метод лінійних контрастів.

Знаходили межі довірчих інтервалів з оцінкою дисперсії для лінійних контрастів:

, (10)

де ск, к=1,2, ..., т – константи, які визначаються із формулювання гіпотез, що перевіряються, причому .

Розглянута задача (виконана у вигляді таблиці) була зведена до безпосередньої моделі багатокрокового процесу оптимізації.

У розділі 3 викладено розроблену методику розрахунку енергії, що виділяється в каналі розряду і розрахунок тиску на фронті ударної хвилі та похідні термодинамічні параметри при імпульсному високовольтному електричному розряді в сокостружковій суміші.

Визначено, що час стійкості плазми становить 0?20 мкс, тривалість електричного імпульсу tp=18…25 мкс, потужність розряду 1,36Ч105кВт.

На основі розробленої методики та гідродинамічних параметрів в каналі розряду побудовано залежності їх розподілу (рис. 2, 3).

Рис. 2. Розподілення тиску та температури на фронті ударної хвилі:

¦ – тиск; ¦ - температура. |

Рис. 3. Розподілення густини середовища та внутрішньої енергії на фронті ударної хвилі:

^ – густина; ? - внутрішня енергія.

З’ясовано механізм термоерозійного руйнування електродів (масу металу та глибину лунки), що залежить від термодинамічних параметрів плазми каналу розряду й матеріалу електроду.

Визначено ККД електрогідравлічної установки та напругу пробою в міжелектродному проміжку, виходячи з параметрів самої установки.

У розділі 4 наведено результати експериментальних досліджень впливу режимів імпульсного ЕГО на зміну фізико-хімічних властивостей сокостружкової суміші та отриманого з неї дифузійного соку.

За результатами аналізу експериментальних досліджень установлено раціональний режим ЕГО сокостружкової суміші (рис. 4) з напругою 35 кВ та кількості розрядів 7…10, що веде до підвищення чистоти дифузійного соку до 1,2 %. Збільшення напруги та кількості розрядів понад ці значення веде до погіршення чистоти.

Це пояснюється збільшенням переходу нецукрів у дифузійний сік з ушкоджених клітин бурякової стружки, які на подальших етапах виробництва погіршують умови кристалізації та зменшують вихід цукру.

Це підтверджують фотознімки клітини цукрового буряку до та після ЕГО при різних режимах.

Математичні оброблення результатів експериментальних даних відповідають параметрам раціонального режиму ЕГО встановленим експериментально.

Рис. 4. Залежність чистоти дифузійного соку від режиму електрогідравлічного оброблення соко-стружкової суміші: напруги та кількості розрядів:

1 – 25 кВ; 2, – 30 кВ; 3, – 35 кВ; 4 – 40 кВ.

Електрогідравлічне оброблення приводить до зниження питомого опору та підвищення проникності тканини цукрового буряка, що дозволяє досягнути ступеню плазмолізу в межах 53…98 % за рахунок структурних змін в клітині.

Експериментально досліджено вплив температури на процес екстрагування соко-стружкової суміші після електрогідравлічного оброблення (табл. 1). Аналіз результатів досліджень свідчить, що отримання дифузійного соку в діапазоні низьких температур покращує його якісні показники. Внаслідок ЕГО сокостружкової суміші з подальшим екстрагуванням при температурі 60 °С отримано приріст чистоти дифузійного соку на 1,98 %. Це дає змогу корегувати температуру процесу екстрагування до 60 °С, та використовувати для нагріву пару меншого енергетичного потенціалу.

Таблиця 1

Залежність зміни якісних показників дифузійного соку від температури екстрагування та режимів ЕГО сокостружкової суміші

Температура,

°С | Кількість розрядів | рН20 | СР, % | Цк, % | Ч, %

50 | Без оброблення | 6,3 | 13,2 | 11,55 | 87,54

7 | 6,3 | 13,2 | 11,72 | 88,78

10 | 6,3 | 13,4 | 11,95 | 89,18

60 | Без оброблення | 6,1 | 13,0 | 11,35 | 87,31

7 | 6,3 | 13,2 | 11,75 | 89,02

10 | 6,3 | 13,4 | 12,0 | 89,55

70 | Без оброблення | 6,5 | 13,2 | 11,45 | 86,74

7 | 6,4 | 13,4 | 11,80 | 88,06

10 | 6,4 | 13,5 | 11,75 | 88,04

75 | Без оброблення | 6,4 | 13,4 | 11,6 | 86,57

7 | 6,3 | 13,6 | 11,95 | 87,88

10 | 6,3 | 13,6 | 11,9 | 87,5

Аналіз отриманих результатів досліджень (табл. 2) дифузійного соку після ЕГО сокостружкової суміші з температурою екстрагування 60 °С показав, що вміст пектинових речовин в дифузійному соці з використанням ЕГО був нижчим на 23 %, вміст ВМС зменшився на 46 %, вміст загального азоту зменшився на 36 % до маси сухих речовин порівняно з дифузійним соком, отриманим традиційним способом.

Таблиця 2

Вплив режимів ЕГО та температури екстрагування сокостружкової суміші на якісні показники дифузійного соку

№ п/п | Параметри | 60 °С | 75 °С

До ЕГО | Після ЕГО | До ЕГО | Після ЕГО

7 | 10 | 7 | 10

1 | % РР,

до маси СР | - | 1,047 | 1,047 | 1,165 | 1,156 | 1,157

2 | Пектинові речовини, %

до маси СР | - | 1,54 | 1,55 | 1,98 | 1,62 | 1,65

3 | ВМС, %

до маси СР | - | 4,012 | 4,123 | 9,847 | 5,111 | 5,346

4 | Загальний азот, % до маси СР | - | 0,47 | 0,47 | 0,74 | 0,54 | 0,56

Кількісний вміст редукувальних речовин в дифузійному соці та вміст інвертного цукру лишаються незмінними.

Математичний аналіз і оптимізація результатів процесу ЕГО сокостружкової суміші підтверджують тенденції збільшення чистоти дифузійного соку та можливість зниження температури екстрагування при визначених раціональних режимах.

Як свідчить мікробіологічний аналіз, ЕГО сокостружкової суміші зменшує контамінаційну мікрофлору на 71…87 % порівняно з контролем, що дозволяє знижувати температуру на етапі екстрагування цукрози без додавання додаткових реагентів.

Дослідження ЕГО модельного розчину цукрози як основного складника дифузійного соку з вмістом СР=14 % в дистильованій воді, показали (табл. 3), що значного руйнування цукрози не відбувається.

Таблиця 3

Вплив ЕГО на фізико-хімічні показники цукрового розчину

Кількість

розрядів | СР, % | ЦК, % | Ч, % | рН20 | РР, % | ·10-3, см-1

Контроль | 14,0 | 14,0 | 99,34 | 7,5 | 0,009 | 0,0933

5 | 14,0 | 14,0 | 99,12 | 7,1 | 0,012 | 0,1041

10 | 14,0 | 14,0 | 98,32 | 6,8 | 0,012 | 0,1052

15 | 14,0 | 13,95 | 97,89 | 6,4 | 0,014 | 0,1077

Під час електричного розряду в рідині відбувається перехід іонів матеріалу з поверхні електроду в рідину. За певних умов ці іони відіграють роль безреагентного коагулянту. Так іони алюмінію та інших металів та сплавів можуть бути використанні коагулянтами нецукрів у дифузійному соці, що дасть змогу осаджувати їх і зменшити використання хімічних реагентів. Підтвердженням переходу матеріалу електрода є збільшення електропровідності модельного розчину цукрози.

У розділі 5 викладено результати досліджень впливу режимів ЕГО на процес гідролізу біокомпонентів суспензій цикорію для отримання фруктозо-олігосахаридних сумішей.

Оброблену електрогідравлічним способом при різних режимах та методах приготування суспензію цикорію досліджували на зміну вмісту редукувальних речовин. Дослідження показали (рис. 5), що ЕГО свіжезмішаної суспензії цикорію (1) при напрузі розряду 35 кВ та кількості розрядів 20 сприяє кращому переходу редукувальних речовин та покращує процес гідролізу біокомпонентів.

Рис. 5. Вплив ЕГО водної суспензії необсмаженого порошку цикорію (5 %), на вміст редукувальних речовин при напрузі розряду 35 кВ:

1 – свіжезмішана суспензія; 2 – попередньо витримана 24 годин; 3 – попередньо витримана 24 години до, а також 72 години після оброблення.

Це відбувається внаслі-док розриву молекул інуліну по місцю глікозидних зв'язків між фруктозними структурни-ми одиницями та приєднання молекул води, тобто відбувається частковий гідро-ліз інуліну. При цьому деяка частина молекул інуліну перетворюється на кінцевий продукт повного гідролізу – фруктозу.

Підвищення вмісту редукувальних речовин в суспензії буде більшим, що дрібнішими будуть частинки, тобто вищою буде дисперс-ність.

Рис. 6. Вплив електрогідравлічного оброблення на зміну дисперсності суспензії порошку цикорію при напрузі розряду 35 кВ:

1 – вихідна суспензія; 2 – оброблена 10-ма розрядами; 3 – оброблена 20-ма розрядами;

4 – оброблена 30-ма розрядами.

За допомогою комплексної системи аналізу частинок „Mastersizer µ” встановили (рис. 6), що вихідна суспензія порошку цикорію в основному складається з частинок діаметром ? 200 мкм, що стано-вить 73 % всієї твердої фази. Після електро-гідравлічного оброблен-ня при напрузі 35 кВ та 20 розрядах, відсоток цієї фракції зменшився до 36 %, вміст частинок розміром 5 мкм зріс до 37 %, збільшення розрядів веде до рекомбінаційних процесів, та зменшення вмісту редукувальних речовин. Отримані результати свідчать про необхідність продовження роботи в цьому напрямі.

Використання ЕГО для здійснення гідролізу біокомпонентів суспензії цикорію та модельного розчину інуліну забезпечує нейтральну реакцію вихідного реакційного середовища при відсутності добавок інших хімічних агентів, тобто досягається збільшення чистоти утворених фруктозо-олігосахаридних сумішей порівняно з традиційними способами гідролізу.

У розділі 6 представлено результати промислових досліджень режимів ЕГО сокостружкової суміші на розробленій та виготовленій спільно з фахівцями Інституту імпульсних процесів та технології НАН України (м. Миколаїв) дослідно-промисловій електрогідравлічній установці на основі високовольтних пристроїв типу “СКІФ” (рис. 7), яку було встановлено на ВАТ “Красилівський цукровий завод”. В пристроях типу “СКІФ” відбувається перетворення електричної енергії розряду в енергію пружних хвиль.

Використання принципово нових пристроїв типу “СКІФ”, що конструктивно сполучують в собі блок живлення та захисту, зарядний блок, ємнісний накопичувач, розрядник та електродну систему, значно скорочують апаратурно-технологічне оформлення даного способу.

Рис. 7. Конструкція дослідно-промислової електрогідравлічної установки:

1 – корпус; 2 – високовольтні імпульсні пристрої типу “СКІФ”; 3 – гумові ущільнювачі; 4 – фланцеві з’єднання; 5 – трубопровід.

В результаті проведених промислових досліджень установлено, що внаслідок ЕГО сокостружкової суміші в режимі з напругою 35 кВ та кількості розрядів 7…10 з подальшою температурою екстрагування 68°С підвищується чистота дифузійного соку до 1,4 %, при цьому загальний ефект очищення дифузійного соку підвищується на 9…11 %.

Виходячи з доцільності використання ЕГО для електро-гідроплазмолізу сокостружкової суміші, розроблено апаратурно-технологічну схему отримання дифузійного соку з використанням імпульсного електрогідроплазмолізатора 2 (рис. 8).

Рис. 8. Принципова апаратурно-технологічна схема отримання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного плазмолізатора:

1 – ошпарювач; 2 –електрогідравлічний плазмолізатор; 3 – колонний дифузійний апарат; 4 – система вентилів обвідного трубопроводу; 5 – вентиль основного трубопроводу; 6 – піскоуловлювач; 7 – теплообмінник; 8 – насоси.

ВИСНОВКИ

Аналіз експериментальних досліджень впливу режимів електрогідравлічного оброблення на сокостружкову суміш та дифузійний сік бурякоцукрового виробництва, суспензію цикорію з метою якісного оброблення рослинної сировини дає можливість зробити наступні висновки:

1. Розроблено методику розрахунків внутрішньої енергії що виділяється в каналі розряду, та встановлено закономірності розподілення гідро- та термодинамічних параметрів на фронті ударної хвилі при імпульсному високовольтному розряді в рідині.

2. Визначено раціональні режими електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші: напруга – 35 кВ, кількість розрядів 7…10. Оброблення при таких режимах дає змогу підвищити чистоту дифузійного соку до 1,2 %.

3. Проведено порівняльний аналіз процесу екстрагування після електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші при різних температурних режимах. Встановлено, що екстрагування при температурі 60 °С дозволяє отримати максимальний приріст чистоти дифузійного соку – 1,98 %, при цьому вміст пектинових речовин зменшився на 23 %, високомолекулярних сполук на 46 %, загальний азот на 36 %. Кількість редукувальних речовин в дифузійному соці та вміст інвертного цукру лишаються незмінними. Це дає змогу зменшити енерговитрати на проведення процесу екстрагування.

4. Визначено, що внаслідок електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші відбувається зниження питомого опору та підвищення проникності тканини цукрового буряка з досягненням ступеню плазмолізу в межах 53…98 % за рахунок структурних змін в клітині.

5. Показано, що використання електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші з напругою 35 кВ та кількості розрядів 7…10 сприяє зменшенню контамінаційної мікрофлори в межах 71…87 %, що призводить до зменшення втрати цукрози.

6. Встановлено, що електрогідравлічне оброблення модельного розчину цукрози не призводить до її руйнування. Обґрунтовано збільшення електропровідності та зниження рН20 розчину цукрози, запропоновано можливість використання мікродомішок матеріалу в іонному стані як додаткового реагенту для очищення дифузійного соку.

7. За допомогою дисперсійного аналізу та методу лінійних контрастів отримали ймовірні довірчі інтервали для напруги і кількості розрядів. Дисперсійний аналіз результатів досліджень підтвердив підвищення чистоти дифузійного соку від дії температури

після електрогідравлічного оброблення в порівнянні з необробленими зразками.

8. Встановлено, що електрогідравлічне оброблення суспензії порошку цикорію сприяє кращому переходу редукувальних речовин та покращує процес гідролізу біокомпонентів. Зроблено аналіз та встановлено характер зміни дисперсності суспензії цикорію в залежності від режиму електрогідравлічного оброблення.

9. Розроблено, виготовлено та випробувано у промислових умовах електрогідравлічний плазмолізатор. Проведені дослідження отримання дифузійного соку шляхом ЕГО сокостружкової суміші в режимі з напругою 35 кВ та кількості розрядів 7…10 з подальшою температурою екстрагування 68 °С довели збільшення чистоти дифузійного соку до 1,4 % та підвищення загального ефекту очищення на 9…11 %.

10. Розроблено апаратурно-технологічну схему отримання дифузійного соку з використанням електрогідравлічного оброблення сокостружкової суміші в електрогідроплазмолізаторі перед колонним дифузійним апаратом, що дає змогу використовувати пару менших енергетичних потенціалів та вести процес екстрагування в області знижених температур.

11. Очікуваний економічний ефект від застосування електрогідравлічного плазмолізатора сокостружкової суміші перед дифузійним апаратом для заводу потужністю 2000 т перероблення цукрових буряків за добу та тривалості виробничого сезону 60 діб становить 556386,7 гривень.

ПЕРЕЛІК РОБІТ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Попова И.В, Маринин А.И., Украинец А.И., Лезенко Г.А., Васылив В.П., Дашковский Ю.А., Олишевский В.В. Получение фруктозо-олигосахаридных смесей с помощью электроимпульсных технологий // Электронная обработка материалов. - 2007.- №2.– С. 60–66.

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

2. Гулий І.С., Українець А.І., Дашковський Ю.О., Хомічак Л.М., Олішевський В.В., Верченко Л.М., Блаженко С.І., Василів В.П., Маринін А.І. Електроіскрові технології в харчовій промисловості: перспективи застосування // Наукові праці НУХТ.– К.: НУХТ, 2002. – №13.– С. 34–39.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, узагальнення результатів експериментальних досліджень.

3. Маринін А.І., Василів В.П., Українець А.І. Розрахунок основних конструктивних, електричних, енергетичних параметрів обладнання для електрогідравлічного оброблення // 68-ма наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ, 2002.– Ч. II.– С. 13.

Особистий внесок здобувача: участь у математичних розрахунках, оброблення та узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

4. Електророзрядна камера: Деклараційний патент України №2994. Україна. МКИ / В.П. Василів, А.І. Українець, Л.М. Верченко, Ю.О. Дашковський, В.В. Олішевський, А.І Маринін. – Опубл. 15.09.04. Бюл. №9.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, узагальнення і підготовка матеріалів до публікації.

5. Маринин А.И., Украинец А.И., Дашковський Ю.А., Ольшевський В.В., Васылив В.П. Влияние электрогидравлического эффекта на плазмолиз стружки сахарной свеклы // Материалы VII-й Международной научной школы-семинара “Импульсные процессы в механике сплошных сред”.– Николаев: ИИПТ, 2007. – С. 36-37.

Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, участь у підготовці до публікування.

6. Слива Ю.В., Хомічак Л.М., Українець А.І., Верченко Л.М., Василів В.П., Маринін А.І. Інтенсифікація процесу дифузії цукрози з бурякової стружки за допомогою електрогідравлічного ефекту // Наук. праці НУХТ. – 2004. – №15. – С. 62-63.

Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, аналіз та узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

7. Дашковський Ю.О., Маринін А.І., Слива Ю.В. Вплив електрогідравлічного ефекту на мікрофлору сокостружкової суміші // Наук. праці ВДАУ. – 2006. -№1. – С. 229-235.

Особистий внесок здобувача: розроблення методик, участь в експериментальних дослідженнях, оброблення та узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

8. Слива Ю.В., Хомічак Л.М., Логвин В.М., Дашковський Ю.О., Маринін А.І. Вплив електрогідравлічного ефекту на мікрофлору дифузійного соку // Цукор України. – 2005. – №4. – С. 20-22.

Особистий внесок здобувача: безпосередня участь у виконанні експериментів, аналіз результатів, підготовка матеріалів.

9. Слива Ю.В., Хомичак Л.М., Логвин В.М., Дашковский Ю.А., Маринин А.И. Обеззараживание сокостружечной смеси электрогидравлическими разрядами // Сахар. – 2007. – №4. – С. 19-22.

Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, проведення аналізу та систематизація отриманих результатів, підготовка до публікації.

10. Патент України №22033. Установка для електроіскрового оброблення рідких середовищ / А.І. Маринін, Ю.О. Дашковський, А.І. Українець, В.П. Василів, В.В. Олішевський. – Опубл. 10.04.07. Бюл. №4.

Особистий внесок здобувача: участь у висуненні та обговорення ідеї, проведення розрахунків, проведення експериментальних досліджень, підготовка документів.

11. Патент України №22034. Спосіб отримання дифузійного соку / Ю.В. Слива, А.І. Маринін, В.М. Логвин, Ю.О. Дашковський, В.П. Василів. – Опубл. 10.04.07. Бюл. №4.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, виконання експериментів, аналіз результатів, підготовка документів до подання.

12. Деклараційний патент України №14753. Спосіб отримання фрукто-олігосахаридних сумішей / І.В. Попова, Г.О. Лезенко, А.І. Українець, Л.М. Хомічак, Ю.О. Дашковський, В.П. Василів, А.І. Маринін, – Опубл. 15.05.06. Бюл. №5.

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

13. Деклараційний патент України №17173. Спосіб інактивації мікроорганізмів / Ю.В. Слива, А.І. Маринін, В.М. Логвин, Ю.О. Дашковський, С.І. Антонюк. – Опубл. 15.09.06. Бюл. №9.

Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, аналіз результатів, підготовка матеріалів.

14. Маринін А.І., Українець А.І., Олішевський В.В. Розроблення конструкції змінної робочої частини електрода електрогідравлічної установки // 71-ша наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2005.– Ч. II.– С. 47.

Особистий внесок здобувача: проведення конструктивних розрахунків, проведення аналізу отриманих результатів, підготовка до публікації.

15. Маринін А.І., Олішевський В.В., Василів В.П., Українець А.І., Дашковський Ю.О. Застосування електрогідравлічного ефекту для оброблення бурякової стружки // 73-тя наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2007.– Ч. II.– С. 52-53.

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

16. Маринін А.І., Олішевський В.В., Василів В.П., Українець А.І., Дашковський Ю.О. Вплив електрогідравлічного ефекту на отримання фруктозо-олісахаридних сумішей // 73-тя наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. – К.: НУХТ,2007.– Ч. II.– С. 53.

Особистий внесок здобувача: проведення вимірювань дисперсійного складу, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.

17. Маринін А.І., Українець А.І., Дашковський Ю.О. Олішевський В.В., Василів В.П. Інтенсифікація процесу плазмолізу бурякової стружки за допомогою електрогідравлічного ефекту // V Міжнародна науково-технічна конференція “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка”. – Донецьк: ДонНУЕТ, 2007. – С. 28-30.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів.

АНОТАЦІЯ

Маринін А.І. Розроблення та застосування імпульсного електрогідравлічного способу оброблення сировини рослинного походження: - Рукопис на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій міністерства освіти і науки України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженням впливу режимів електрогідравлічного оброблення на зміну параметрів сокостружкової суміші, дифузійного соку, суспензії цикорію.

Встановлено, що дія електрогідравлічного оброблення на сокостружкову суміш дозволяє отримати дифузійний сік з

покращеними якісними показниками, що дає можливість проводити процес екстрагування в області знижених температур. Пояснено зменшення контамінаційної мікрофлори.

Досліджено вплив режимів електрогідравлічного оброблення на суспензії цикорію з метою отримання фруктозо-олігосахаридних сумішей.

Доведено ефективність використання електрогідравлічного плазмолізатора для оброблення сокостружкової суміші та отримання дифузійного соку.

Ключові слова: електрогідравлічне оброблення, напруга розряду, кількість розрядів, сокостружкова суміш, дифузійний сік, тканина цукрового буряку, чистота дифузійного соку, суспензії цикорію.

АННОТАЦИЯ

Маринин А.И. Разработка и применение импульсного электрогидравлического способа обработки сырья растительного происхождения: - Рукопись на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Национальный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена исследованиям влияния режимов электрогидравлической обработки на изменение параметров сокостружечной смеси, диффузионного сока, суспензий цикория.

Установлено, что действие электрогидравлической обработки на сокостружечную смесь позволяет получить диффузионный сок с улучшенными качественными показателями, что даёт возможность проводить процесс экстрагирования в области сниженных температур. Объяснено уменьшение контаминационной микрофлоры.

Исследовано влияние режимов электрогидравлической обработки на суспензию цикория с целью получения фруктозо-олигосахаридных смесей.

Доказано эффективность использования электрогидравлического плазмолизатора для обработки сокостружечной смеси и получения диффузионного сока.

Ключевые слова: электрогидравлическая обработка, напряжение разряда, количество разрядов, сокостружечная смесь, диффузионный сок, ткань сахарной свеклы, чистота диффузионного сока, суспензия цикорию.

ABSTRACT

Marinin, A.I. Design and Usage of Impulse Hydraulic Method to Plant Raw Material Processing. The thesis is presented to acquire the scientific degree of Candidate of Technical Sciences: Specialty 05.18.12 – processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical industry. National University of Food Technologies, Ministry of Education and Science of Ukraine. Kyiv, 2007.

The thesis is dedicated to the researches of an influence of electrohydraulic procession regimes (hereinafter named EPR) on the changes in parameters of a juice-chopped mixture, diffusion juice, and suspension extracted from chicory.

On the base of the designed methods we gave an estimation of internal energy that appears in the channel of discharge, set up the regularities of distribution of hydro- and dynamic parameters on the front of a strike wave during the action of high-voltage impulse current in juice-chopped mixture.

We made an experimental research of the EPR regimes influence on the changes in qualitative indices of diffusion juice, which became a base for setting up a rational regime of juice-chopped mixture’s EPR.

We analyzed the process of EPR-ing the juice-chopped mixture, and this showed that with an extraction temperature of 60 °C we have the maximal growth of diffusion juice purity (by 1,98 per cent); besides, the content of pectin substances decreases on 23 per cent, the content of high-molecular compounds – on 46 per cent, and the content of general nitrogen – on 36 per cent. The content of a contamination microflora in the juice-chopped mixture got lower on 71…87 per cent. Along with that, the contents of reductive substances and invert sugar remain unchanged, which would reduce the energy expenditures for the extraction processes.

There are studied the mechanisms of structural changes in sugar beet tissue with different EPR regimes, and achieving the grade of plasmolysis within 53…98 per cent. This allows us to make a conclusion that denaturation of cytoplasm and its dissipation by suspended particles occurred due to EPR-ing the juice-chopped mixture.

According to the results of experiments accomplished to study EPR-ing of the juice-chopped mixture, we made their mathematical procession. With a help of dispersion analysis and linear contrast method, we obtained the probable integrals for voltage and the number of discharges. The dispersion analysis confirmed the increase of diffusion

juice purity thanks to the temperature influences after EPR, in comparison with non-processed specimens.

There was affirmed that EPR-ing a model sucrose solution does not lead to its destruction. We proved the increase of electrical conductivity and the decrease of the solution’s pH20. We also proposed to use the micro additives of the material as a reagent to purify the diffusion juice.

EPR-ing the suspension of chicory powder makes better the transformation of reductive substances and the process of hydrolysis of biocomponents. Based on the changes in dispersion of a solid phase, we confirmed the recombination processes and the changes in reductive substances depending on the procession regimes.

We designed, constructed, and tested in industrial condition an electrohydroplasmolyzer, which consists of a new generation device – a combination of the feeding and the protection blocks, the charger, the capacity accumulator, the discharger, and the electrode system. The comparative studies of diffusion juice before and after EPR-ing showed the increase of diffusion juice purity on 1,4 per cent and the increase of general purification effect on 9…11 per cent.

We also designed and proved theoretically the scheme of a device and technological accomplishment of juice obtaining process with the use of the electrohydroplasmolyzer. This would allow using the pair of lower energetic potentials and conducting the extraction process in the field of lower temperatures.

Keywords: electrohydraulic procession, discharge voltage, number of discharges, juice-chopped mixture, diffusion juice, sugar beet tissue, diffusion juice purity, chicory suspensions.