64783

ДОСЛІДНИЦЬКЕ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЇ ОБРОБКИ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ ВИСОКИМ ТИСКОМ І УЛЬТРАЗВУКОМ

Автореферат

Кулинария и общественное питание

Світова сучасна практика збереження та поліпшення якості продуктів виробила принципово нову технологію обробки харчових продуктів шляхом використання високого тиску ВТ. У багатьох країнах Західної Європи США Японії розроблені технології обробки продуктів що знайшло відображення в наукових роботах...

Украинкский

2014-07-11

213.5 KB

1 чел.

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ

І ТОРГІВЛІ імені МИХАЙЛА ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО

ДЕКАНЬ ОЛЕКСІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 664.039.4.083:001.891.5

ДОСЛІДНИЦЬКЕ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЇ ОБРОБКИ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ ВИСОКИМ ТИСКОМ І УЛЬТРАЗВУКОМ

Спеціальність05.18.12 - процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі

імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сукманов Валерій Олександрович, Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, завідувач кафедри загальноінженерних дисциплін, директор інституту харчових виробництв.

доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Київський національний університет харчових технологій, професор кафедри матеріалознавства та технології машинобудування;

кандидат технічних наук, професор Постнов Генадій Михайлович, Харківський державний університет харчування і торгівлі, професор кафедри устаткування підприємств харчування.

Захист відбудеться „ 16 ”  червня 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83055, м. Донецьк, пр. Театральний, 28, аудиторія  3231.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83017, м. Донецьк, бул. Шевченка, 30.

Автореферат розісланий „ 14 ”  травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент                                                                                       Антропова Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задоволення зростаючих вимог суспільства до більш здорового способу життя вимагає нових екологічно чистих технологій, максимально зберігаючих натуральні компоненти продуктів, смакові та ароматизуючі їх складові. Світова сучасна практика збереження та поліпшення якості продуктів виробила принципово нову технологію обробки харчових продуктів шляхом використання високого тиску (ВТ). У багатьох країнах Західної Європи, США, Японії розроблені технології обробки продуктів, що знайшло відображення в наукових роботах зарубіжних вчених Д. Донжі, Д. Феррарі, Б. Таушер, Н. Пілар, Д. Гувер, У. Донг, та ін . З вчених України та країн колишнього СРСР слід зазначити В. Косого, С. Туменова, В. Сукманова, В. Шаталова.

Інтенсивний розвиток технології з використанням ВТ обумовлений не лише здатністю ВТ знищувати мікроорганізми, а й перспективами, що відкриваються при цьому, для додання нових корисних споживчих властивостей харчовим продуктам: збереження в процесі обробки їх натурального аромату, кольору і структури без втрати вітамінів і мікроелементів.

Одним з ефективних способів енергетичного впливу на технологічні процеси є використання акустичних коливань. Акустичні коливання в технологічних процесах здійснюють стимулюючий вплив при диспергуванні, перемішуванні або очищенні, інтенсифікації при сушінні, фільтрації, розчиненні або кристалізації, а також оптимізує чий вплив, наприклад, при гранулюванні, центрифугуванні або електрофорезі, дозволяють знизити енерговитрати на досягнення бажаного технологічного ефекту.

Великий внесок у розвиток ультразвукових (УЗ) досліджень зробили такі відомі вітчизняні та зарубіжні вчені, як Кнепп Р., Флінн Г., Розенберг Л.Д., Некоз O.І., Перник О.Д., Рой М.О., Келлер О.К., Яхно О.М., Нігматулін Р.І., Булгаков Б.Б., Приходько М.А., Philipp A., Lindau O., Mettin R. та ін.

На жаль, недостатня вивченість фізичних процесів, що відбуваються в рідинному середовищі під впливом УЗ коливань, які накладені на інші силові поля (ВТ, електричні поля та ін), а також відсутність математичних моделей для аналітичних досліджень і інженерних методик розрахунку, які б об'єднували в собі резонансні властивості коливальних систем з дією ВТ з урахуванням реологічних властивостей оброблюваного продукту, не дозволяє створити високоефективні апаратні засоби та довести ряд технологічних процесів до високого рівня вимог сучасних виробництв.

Впровадження у промислове виробництво найбільш перспективних сучасних фізичних методів обробки харчових продуктів, зокрема, їх комплексної обробки ВТ та УЗ, вимагає всебічного їх дослідження в лабораторних умовах. Для вивчення процесів обробки продуктів як ВТ, так і УЗ, провідними науковими центрами світу розроблені і випускаються дослідницькі комплекси, які використовуються в науково-дослідницьких центрах та лабораторіях на промислових підприємствах. В даний час відсутнє дослідницьке обладнання для вивчення процесів комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ.

Перераховані вище обставини і визначають актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до тематики бюджетних і госпдоговірних науково-дослідницьких робіт Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Г-2003-3 «Теоретичні моделі впливу надвисокого тиску та ультразвуку на харчові продукти і напівпродукти з метою управління їх властивостями» (№ГР 0103U001183), Д-2006-2 «Використання високого тиску для поліпшення властивостей харчових продуктів» (№ГР 0105U007780), планом роботи проблемної науково-дослідної лабораторії ДонНУЕТ «Використання надвисокого тиску в харчових технологіях».

Мета досліджень: створення дослідницького обладнання для комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ, а також експериментальне підтвердження ефективності процесу комплексної обробки продуктів ВТ та УЗ з метою забезпечення їх мікробіологічної стерильності, поліпшення технологічних та споживчих властивостей.

Завдання досліджень:

  •  розробити математичну модель напруженного – деформованого стану камери ВТ (КВТ), що знаходиться під сумарним навантаженням ВТ та УЗ;
  •   розробити математичну модель, що дозволяє визначати раціональне розміщення УЗ випромінювача на утворюючій поверхні циліндричної КВТ;
  •  обґрунтувати вибір УЗ випромінювача для роботи в КВТ;

- експериментально дослідити залежності мікробіологічного обсіменіння харчового продукту (рідкі курячі яйця) від параметрів процесу їх комплексної обробки ВТ та УЗ;

- експериментально дослідити зміну пінотворності білка курячого яйця в залежності від параметрів процесу його комплексної обробки ВТ та УЗ;

  •  експериментально дослідити компресійні характеристики (зміну відносного об'єму, щільності, модуля об'ємної пружності, коефіцієнта стисливості) оброблюваного продукту (рідкі курячий жовток, білок, суміш білка та жовтка), обробленого ВТ та УЗ.
  •  розробити технічні вимоги і керівництво з експлуатації дослідницького обладнання для комплексної обробки продуктів ВТ та УЗ;
  •  впровадити отримані наукові результати в практику і визначити економічну ефективність від впровадження результатів досліджень.

Об'єкт дослідження дослідницьке обладнання для комплексної обробки харчових продуктів та інших біологічних об'єктів ВТ та УЗ.

Предмет дослідження техніко-експлуатаційні показники дослідницького обладнання для комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ, а також властивості харчових продуктів, що підлягають даній обробці.

Методи дослідження. При виконанні роботи були використані теоретичні та експериментальні методи дослідження розроблюваного обладнання та досліджуваних процесів з використанням сучасних вимірювальних пристроїв та приладів. Експериментальні дані оброблялися стандартними методами математичної статистики. Достовірність експериментальних досліджень з вивчення процесу комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ забезпечена використанням унікальної дослідницької установки високого тиску (УВТ), обладнаної комплексом автоматизованого управління, і використанням сучасних лабораторних методів дослідження з застосуванням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

  •   був обґрунтований метод комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ та була експериментально підтверджена його ефективність;
  •   була розроблена математична модель напруженого – деформованого стану КВТ, що знаходиться під сумарним навантаженням ВТ та УЗ;
  •   була розроблена математична модель, що дозволяє визначати раціональне розміщення інтенсивності кавітаційного поля в циліндричній камері з УЗ випромінювачами на утворюючій поверхні;

- були отримані залежності мікробіологічного обсіменіння рідких курячих яєць від параметрів процесу їх комплексної обробки ВТ та УЗ;

- було експериментально досліджено зміну пінотворності білка курячого яйця в залежності від параметрів процесу його комплексної обробки ВТ та УЗ;

- були отримані компресійні характеристики рідких курячих яєць, курячого білка і жовтка, при їх комплексній обробці ВТ та УЗ.

Практичне значення отриманих результатів.

- були сформовані вимоги і отримані значення техніко-експлуатаційних показників дослідницького обладнання для комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ;

- розрахунковим методом були отримані параметри випромінювача УЗП для роботи в КВТ;

- була створена установка дослідницького типу для комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ;

  •  було розроблено комплект нормативно-технічної документації на дослідницьке обладнання для комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ;
  •  були визначені раціональні параметри процесу комплексної обробки ВТ та УЗ рідких курячих яєць з метою забезпечення їх мікробіологічної стерильності, покращення технологічних і споживчих властивостей; 
  •  За результатами наукових досліджень отримані позитивні рішення від 01.03.2010 на заявку № 20911694 на патент «Спосіб комплексної обробки курячих яєць високим тиском і ультразвуком» і позитивне рішення від 05.02.2010 на заявку 20911715 на патент «Пристрій для комплексної обробки рідких і в'язко пластичних продуктів високим тиском і ультразвуком».

Особистий внесок здобувача. Автором були особисто розроблені і математично обґрунтовані конструктивні рішення, використані при створенні установки для комплексної обробки продуктів ВТ та УЗ, визначені напрями та обґрунтовані методи теоретичних та експериментальних досліджень, здобувач виконав постановку, планування й аналіз результатів експериментальних досліджень, сформулював загальні висновки роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та були схвалені на щорічних наукових конференціях Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського у 2005 - 2010 роках; V-VII Міжнародних науково-практичних конференціях «Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація та економіка »(м. Святогорськ 2005-2009р.); III - IV Міжнародних науково-практичних конференціях« Сучасні проблеми розвитку легкої та харчової промисловості » (м. Лівадія 2007 – 2008р.)

Публікації. За темою дисертації було опубліковано 12 наукових статей, 1 теза доповідей на наукових конференціях, отримано 2 позитивних рішення на патенти.

Структура дисертації. Основний зміст роботи викладений на 146 сторінках комп'ютерного тексту, який включає вступ, 6 розділів, висновки та 6 додатків. Робота була ілюстрована 51 малюнком та 11 таблицями, вона завершується списком використаної літератури,  який складається з 129 найменувань, 77 з яких – це зарубіжні видання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено предмет та об’єкт дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі «Аналіз фізико - механічних методів обробки харчових продуктів» проведено аналітичний огляд стану проблеми забезпечення мікробіологічної стерильності харчових продуктів, застосовуваних методів їх обробки, вивчення особливостей використання УЗ і ВТ, а також огляд дослідницького та промислового обладнання, який показав перспективність комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ, що дозволить підвищити їх ефективність, поліпшити технологічні і споживчі властивості оброблених продуктів, знизити енерго і матеріаломісткість даних засобів. На сьогоднішній день відсутнє дослідницьке обладнання або інформація про розробку даного комбінованого способу обробки харчових продуктів, що підтверджує актуальність теми дослідження.

В якості об'єкта для проведення досліджень з порівняльної оцінки ефективності комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ прийнято рідке куряче яйце. Поставлені мета та завдання досліджень. Розроблена структурно-логічна схема етапів досліджень.

У другому розділі «Теоретичне обґрунтування створення обладнання

дозволило знайти їх через хвильові потенціали для випадку стаціонарних гармонічних коливань з круговою частотою  в циліндричних і прямокутних координатних системах без урахування гравітаційних масових сил.   

                                                                                                               (2)

         

Завдання визначення коефіцієнтів, що задовольняють динамічні рівняння деформування, були вирішені шляхом побудови функціональних рівнянь, їх подальшої алгебраізаціі методом найменших квадратів та отримання відповідної нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Амплітудна функція  динамічного тиску акустичного середовища у внутрішній порожнині КВТ задовольняє рівнянню

                                            (3)

та має вигляд:

          (4)

де , - швидкість акустичних хвиль у середовищі, яке заповнює внутрішню порожнину КВТ.

У результаті нескінченні системи лінійних алгебраїчних рівнянь для визначення шуканих коефіцієнтів випливають з співвідношень 

                          (5)

.

Таким чином, запропонований алгоритм дозволяє визначати напружено деформований стан КВТ, який складається з двох складових: рішення вищеописаної задачі при  і довільній малій (близькій до 0) частоті навантаження на поршень (статична складова рішення) і рішення вищеописаної задачі при  і заданій великій (ультразвуковій) частоті впливу через п'єзоакустичний випромінювач (ультразвукова динамічна складова рішення).

Поширення пружних коливань у рідинах було описано хвильовим рівнянням для потенціалу швидкості циліндричної системи координат:

,          (6)

де - потенціал швидкості;  - функція, що визначається граничними та початковими умовами; сшвидкість поширення ультразвуку в рідині;  - радіус-вектор;  - полярний кут.

Для використання ефектів УЗ разом з ВТ нами була розглянута математична модель розташування УЗП у КВТ, розташованого на утворюючій поверхні робочої КВТ, що має циліндричну форму і яка визначається конструкцією поршня КВТ. При цьому була розглянута циліндрична КВТ з одним УЗ випромінювачем, який розташований на утворюючій поверхні циліндра камери (Мал.4).

Потенціал швидкості  для усталених гармонічних коливань представили у вигляді:

,                       (7)

де  - деяка функція, яка залежить від координат.

Рішення отриманого рівняння було виконано методом Фур'є.

Спільним рішенням даного рівняння є функція Z, яка описує поширенням хвиль в рідині уздовж осі камери:

,                         (8)

Мал. 4 .- Схема розташування УЗВ

1 - модель робочої камери, 2 - УЗВ

де А і В константи, які знаходять з граничних умов.

 У зв'язку з тим, що звуковий тиск всередині труби пов'язаний з потенціалом швидкості як похідна за часом, помножена на щільність рідини, отримали:

.                     (9)

Таким чином, отриманий вираз дозволяє візуалізувати картину розміщення в перерізі циліндричної камери хвилі пружною деформації з метою мінімізації впливу на кавітаційне поле конструктивних елементів, що встановлюються у внутрішньому об'ємі камери і визначити точку розташування УЗВ на циліндричному корпусі КВТ.

Розроблено спарений, для збільшення акустичної потужності, УЗВ, що має форму диска з плавним регулюванням частоти сигналу в діапазоні від 18 до 35 кГц. і акустичною потужністю впливу на зразок - в діапазоні від 30 до 70Вт і частотою впливу - 100Гц.

У третьому розділі «Створення експериментальної установки для дослідження комплексного впливу тиску, температури та ультразвуку на харчові продукти», в наслідок формування вимог до дослідницького обладнання для комплексної обробки харчових продуктів ВТ, температурою і УЗ, розробки та обґрунтування техніко-експлуатаційних показників обладнання, була створена установка (Мал. 5), що має у своєму складі: КВТ (до 1000 МПа); гідравлічну частину, прес, насос; гідророзподільник, дросель, маслозбірник і маслопровід; випромінювачі УЗ коливань низьких, середніх і високих частот; вимірювальну частину і схему перетворення сигналів: датчики вимірюваних параметрів, перетворювачі та підсилювачі сигналів; систему автоматизації установки і вузли сполучення з комп'ютером; програмне забезпечення управління установкою та документування вимірюваних параметрів.

До складу УЗ комплексу, що застосовується у УВТ і має широкі регулювання робочої частоти, вихідної потужності, індуктивності узгодження генератора підсилювача потужності з навантаженням, входить: УЗ випромінювач; електронний блок, УЗ генератор з підсилювачем потужності і блоком живлення; автотрансформатор.


Технічні характеристики комплексу: робочий діапазон тисків від 0 до 1000 МПа; робочий діапазон температур від + 5 до + 100 ° С; обсяг досліджуємого матеріалу 5*10-6 м3; чутливість реєстрації температури 0,1 ° С; точність реєстрації й підтримування температури ± 0,5°С; чутливість реєстрації тиску 1 МПа; точність реєстрації та підтримування тиску ± 10 МПа; частота ультразвукового впливу від 17 до 35 кГц; потужність ультразвукового впливу від 0 до 300 Вт; швидкість переміщення поршня гідравлічної системи - від хmin = 67•10-6 м/с до хmax = 67•10-5 м/с.; діапазон зміни частоти генератора не менше, 10ч50 кГц; діапазон електричної резонансної частоти випромінювача, 10ч30 кГц; електрична потужність генератора, не менше, 400 Вт; потужність випромінювача не менше, 120 Вт. Блок-схема УЗ пристрою наведена на малюнку 6.  Загальний вигляд камери для комплексної обробки продуктів ВТ та УЗ наведений на малюнку 7.

Мал. 6. Блок-схема УЗП

Мал. 5. Загальний вигляд УВТ

У наслідок розрахунку і випробування дослідних гідравлічних систем управління роботою комплексу була прийнята система, принципова схема і загальний вид гідравлічного вузла, які наведені на мал. 8, 9.

Установка складається з нерегульованого насоса (Н), фільтра (Ф), підпірного клапана (ПК), чотирьохлінійного трьохпозиціонного гідророзподільника з електромагнітним управлінням (ГР), гідрозамка (ГЗ), регульованого дроселя (Др), гідроциліндра (ГЦ), манометрів (М1 і М2), бака з робочою рідиною (Б) і контейнера (К).

Шток гідроциліндра і внутрішній об'єм контейнера утворюють КВТ. Пристрій являє собою гідравлічний мультиплікатор.

Мал. 7. Загальний вигляд камери для комплексної обробки продуктів ВТ та УЗ з ультразвуковим випромінювачем, електронним блоком, ультразвуковим генератором з підсилювачем потужності і блоком живлення

Мал. 8. Принципова гідравлічна схема УВТ

Вимірюваними параметрами харчових продуктів, які знаходяться під впливом тиску, є: температура, тиск, об'єм, щільність. Регулювання швидкості зміни сили, що діє на робочу площу поршня, здійснюється через інтерфейс персонального комп'ютера.

У четвертому розділі «Експериментальні дослідження техніко-експлуатаційних характеристик розробленого обладнання»  в ході дослідження датчика температури отримана залежність зміни величини термоЕРС виготовленої термопари від зміни температури, яка була описана рівнянням:

y =-0, 831 + 0,042x                                                  (10)

Мал. 9. Загальний вигляд гідравлічного вузла УВТ
1 - електродвигун; 2 - теплообмінник; 3 - манометр; 4 - бак для масла; 5 - лівий електромагніт; 6 - правий електромагніт; 7 - гідророзподільник; 8 - рама;
9 - насос; 10 - фільтр

При дослідженні датчика тиску отримані залежності електричного опору манганінового дроту від тиску, що описані рівнянням:

y = 143,49833 + 0,034958198x                                            (11).

Зміна тиску на 1000 МПа призводить до зміни опору манганінового дроту на величину ДR = 0,349827 Ом. Залежність опору манганінового датчика від температури була описана залежністю

                  (12)

Дослідження процесу теплообміну в КВТ в часі полягало в проведенні експериментів з нагрівання КВТ до температур 90, 82, 70, 60, 50, 40 і 30 ° С, її подальшому охолодженні в навколишньому середовищі і отриманні залежності, яка була описана функцією, представленою на малюнку 10.

Мал. 10. Залежність температури в КВТ при нагріванні до 82 ° С і подальшому охолодженні в повітрі.

вклчас увімкнення нагрівача;

ннчас початку зміни температури в камері;

выклчас вимкнення нагрівача;

максчас досягнення максимальної температури макс);

(нн - вкл) = 0 – час переносу одиничної кількості теплоти від нагрівача до робочого об'єму КВТ.

У п'ятому розділі «Експериментальні дослідження показників продуктів, що піддавалися комплексній обробці високим тиском і ультразвуком» проведена порівняльна оцінка ефективності процесу комплексної обробки харчових продуктів ВТ та УЗ, був проведений комплекс досліджень, в яких в якості об'єкту були прийняті: рідкий курячий білок, жовток і яйце куряче рідке - суміш білка і жовтка. Досліджувані параметри: концентрація кишкової палички, пінотворність і стійкість піни (%). Для комплексної обробки яйця ВТ + УЗ були прийняті: потужність - 40Вт, частота випромінювання - 25 кГц і тривалість опромінення: до 300С, що забезпечувало щадний режим обробки продукту і не призводило до денатурації білків у результаті локального підвищення температури.

Дослідження мікробіологічного обсіменіння курячого яйця, було проведено при обробці його УЗ потужністю 20, 30 і 40 Вт, ВТ 200 МПа протягом 400с (з яких 100с - період підйому і скидання тиску) та при комплексній його обробці: УЗ + ВТ. Обробка курячого яйця УЗ у вибраному інтервалі потужностей не забезпечує його стерилізацію. Обробка курячого яйця ВТ забезпечує стерилізацію яйця через 300с. Комплексна обробка курячого яйця ВВ + УЗ забезпечує його стерилізацію через 200с.

Має місце збільшення (на 4,5-5%) пінотворності курячого яйця в результаті його комплексної обробки ВТ + УЗ. Стійкість піни, отриманої з курячого білка і стійкість емульсії, отриманої з курячого жовтка, які були оброблені ВТ і ВТ + УЗ, практично залишилася без змін.

Мал. 11. Зміна вмісту КП в зразках курячого яйця в процесі їх обробки УЗ, ВТ, а також комплексної обробки УЗ + ВТ

Мал. 12. Пінотворність яєчного білка в залежності від параметрів процесу його обробки ВТ (- - - -) і ВТ +УЗ ( — ) при t = 50С

Пружні властивості досліджуваних зразків визначали зі збільшенням тиску від атмосферного до 250 МПа. З метою вивчення гістерезисних явищ при дослідженні компресійних показників у досліджуваних об'єктів, запис контрольованих параметрів здійснювали як в період збільшення тиску від 0 до величини (0Р), так і в зворотному напрямку при зменшенні величини тиску від значення Р до 0 МПа (Р0).

Аналіз отриманих залежностей показав, що з ростом потужності випромінювання (20, 30, 40 Вт) відбувається зменшення значень відносного об'єму при тиску 250 МПа на 2,97, 2,50 і 2,73% відповідно. При цьому щільність досліджуємих зразків відповідно збільшилася на 2,91, 2,46 і 2,64%.

Під тиском 250 МПа щільність жовтка збільшується у 1,12 рази (при потужності УЗ – 20 Вт) і у 1,16 рази (при потужності УЗ – 40Вт); щільність суміші білка та жовтка при тих же параметрах процесу обробки збільшилася у 1,12 і 1,14 рази; щільність білка збільшилася у 1,12 і 1,15 рази відповідно.

При цьому модуль об'ємної пружності після комплексної обробки ВТ від 0 до 250 МПа збільшується для жовтка у 8,5 - 7,55 рази при збільшенні потужності випромінювання від 20 до 40 Вт; у 5,67 - 5,03 рази для жовтка і у 3,71 - 3,61 рази для суміші білка та жовтка.

Комплексна обробка яйця ВТ та УЗ потужність 40 Вт забезпечують стерильність продукту при скороченні часу обробки орієнтовно на 30% при зменшенні робочого тиску з 250 до 200 МПа.

У шостому розділі «Практична реалізація результатів досліджень» з метою практичної реалізації результатів досліджень були розроблені «Технічні вимоги на установку для комплексної обробки високим тиском і ультразвуком харчових продуктів», «Інструкція з експлуатації камери для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком», «Інструкція з експлуатації ультразвукового пристрою обладнання для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком».

Чистий прибуток від реалізації такого обладнання на ринку України складе 117,95 тис. грн. при терміні окупності капітальних витрат на придбання промислової установки комплексної обробки ВТ та УЗ 4 роки.

ВИСНОВКИ

  1.  Створено математичну модель напружено-деформованого стану КВТ, що знаходиться під сумарним навантаженням ВТ та УЗ. Акустичний напружено-деформований стан КВТ описано рішенням крайової задачі, що включає систему просторових рівнянь руху лінійного ізотропного пружного тіла в областях  щодо введеної вектор - функції динамічних хвильових переміщень  і системи крайових умов на елементах граничних поверхонь складеного циліндричного тіла.
  2.  Запропоновано алгоритм визначення напружено деформованого стану КВТ, який складається з двох складових: статична складова рішення (під дією ВТ) та ультразвукова динамічна складова рішення (під дією УЗВ).
  3.  Розроблено математичну модель

,

що дозволяє візуалізувати картину розміщення в перерізі циліндричної камери, хвилі пружної деформації (звуковий тиск) з метою мінімізації впливу на рівномірність інтенсивності кавітаційного поля конструктивних елементів, що встановлюються у внутрішньому об'ємі камери.

  1.  Виконано розрахунок спареного УЗВ з плавним регулюванням частоти сигналу в діапазоні від 18 до 35 кГц., акустичною потужністю впливу на зразок - в діапазоні від 30 до 70Вт і частотою впливу - 100Гц.

5. Розроблено УВТ, що складається з преса, насоса, гідророзподільника, дроселя, маслозбірника і маслопровода, КВТ; УЗП низьких, середніх і високих частот, вимірювальної частини, яка містить датчики вимірюваних параметрів, перетворювачі та підсилювачі сигналів, системи автоматизації роботи установки і вузлів сполучення з ПК, програмного забезпечення управління установкою.

6. Технічні характеристики комплексу: робочий діапазон тисків від 0 до 1000 МПа; робочий діапазон температур від + 5 до + 100°С; обсяг досліджуємого матеріалу 5·10-6 м3; чутливість реєстрації температури 0,1°С; точність реєстрації й підтримки температури ± 0,5°С; чутливість реєстрації тиску 1 МПа; точність реєстрації та підтримки тиску ± 10 МПа; частота ультразвукового впливу від 17 до 35 кГц; потужність ультразвукового впливу від 0 до 300 Вт; швидкість переміщення поршня гідравлічної системи - від хmin = 67·10-6 м/с до хmax = 67·10-5 м/с.; діапазон зміни частоти генератора не менше, 10ч50 кГц; діапазон електричної резонансної частоти випромінювача, 10ч30 кГц; електрична потужність генератора, не менше, 400 Вт; потужність випромінювача, не менше, 120 Вт.

7 Залежність величини термо-Ерс термопари з ебонітовим тримачем від температури в робочій камері високого тиску підпорядковується рівнянню:

y = - 0, 831 + 0,042x.

Залежність електричного опору манганінового дроту датчика тиску від величини тиску в робочій камері описана рівнянням:

y = 143,49833 + 0,034958198x.

Залежність опору манганінового дроту датчика від температури в робочій камері описана залежністю:

Процеси нагрівання і охолодження КВТ описані залежностями:

Т(ф)нагр = 24,416+1893,041ф+158514,345ф2-1,596ф3+5,622ф4-6,956ф5 ;

Т(ф)ост = 31,061+48,120ехр(−ф/0,0359).

8. Комплексна обробка яйця ВТ та УЗ потужність 40 Вт дозволяє скоротити час обробки орієнтовно на 30% при зменшенні робочого тиску з 250 до 200 МПа. Комплексна обробка рідкого курячого яйця ВТ та УЗ дозволяє збільшити його пінотворність на 4,5 - 5% в порівнянні з обробкою ВТ. Стійкість піни, отриманої з курячого білка та стійкість емульсії, отриманої з курячого жовтка, що були оброблені ВТ і ВТ + УЗ, практично залишаються без змін.

9. Отримано компресійні характеристики при комплексній обробці зразків ультразвуком частотою 22 кГц, потужність 40 Вт і тиском від 0 до 250 МПа і від 250 до 0 МПа: зміна значень відносного об'єму, щільності, коефіцієнта стисливості, модуля об'ємної пружності рідкого курячого яйця ( суміш білок + жовток), білка і жовтка.

10. Зміни відносного об'єму досліджуваних об'єктів від тиску описані залежністю; апроксимуюча функція залежності щільності досліджуваних об'єктів від тиску представлена у вигляді: ; коефіцієнта стисливості апроксимації функцією виду  і для апроксимації модуля об'ємної пружності запропонована функція виду: .

11. Розроблено «Технічні вимоги на установку для комплексної обробки високим тиском і ультразвуком харчових продуктів», «Інструкція з експлуатації камери для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком», «Інструкція з експлуатації ультразвукового пристрою установки для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком».

12. Прибуток від реалізації установок на ринку України складе 117,95 тис. грн. при терміні окупності капітальних витрат 4 роки.

Список опублікованих робіт за темою дисертації:

1. Сукманов В.О. Розробка автоматизованого експериментального комплексу для обробки харчових продуктів високим тиском / В. О. Сукманов, С. А. Соколов, В. П. Головінов, О. О. Декань, О. В. Сабіров // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. держ. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2006. - Вип. 14. - С. 65-71.

2. Сукманов В. О. Розробка гідравлічної схеми управління експериментальною установкою для обробки харчових продуктів високим тиском / В. О. Сукманов, С. А. Соколов, В. П. Головінов, О. О. Декань, О. В. Сабіров // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2007. - Вип. 16. - С. 82-86.

3. Сукманов В.О. Експериментальні дослідження з визначення раціональних параметрів процесу приготування печінкового паштету за допомогою високого тиску / В.О. Сукманов, С. А. Соколов, М. М. Севаторов, О. О. Декань // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля : наук. журн. / Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля. – Луганськ, 2007. - №1(107). - С.424-431.

4. Сукманов В. О. До питання розташування ультразвукового випромінювача на камерах високого тиску / В. О.Сукманов, С. А. Соколов, О. О. Декань, В. Б. Гаркуша // Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка : тези доп. міжнар. наук.-техн. конф., 12-14 верес. 2007 р., Святогірськ / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - Донецьк, 2007. - С. 109-113.

5. Сукманов В. О. Експериментальні визначення параметрів процесу нагрівання досліджуваного продукту в камері високого тиску / В. О. Сукманов, С. А. Соколов, В. П. Головінов, О. О. Декань, О. В. Сабіров // Темат. зб. наук. праць Донецьк; ДонДУЕТ, 2007. – Вип. 17. С.119-122.

6. Сукманов В.О. Експериментальні визначення часових залежностей процесів теплообміну в оптичній камері високого тиску / В. О. Сукманов, С. А. Соколов, В. П. Головінов, О. О. Декань, О. В. Сабіров // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2007. - Вип. 17, т. 2. - С. 177-183.

7. Сукманов В. А. Аппаратурное обеспечение комбинированного процесса обеззараживания пищевых продуктов. / В. А. Сукманов, С. А. Соколов, А.. О. Декань // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля : наук. журн. / Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля. – Луганськ, 2008. - №2 (120). - С.328-333.

8. S. SOKOLOV, A. DEKAN, A. KRASNOGRUDOV. On the issue of experimental specification of foodstuff compressibility factor in a high pressure chamber.// International conference on new research in food and tourism Brasov, Romania, 4-7 june 2008. p. 258-260.

9. A. KORSHUNOVA, A. DEKAN, A. SABIROV. Designation of parameters of reaching the culinary readiness of meet products which were processed by the high pressure. // International conference on new research in food and tourism Brasov, Romania, 4-7 june 2008. p 213-216.

10. G. Bukin. Automatized high pressure set-up for complex research of functional materials / G. Bukin, G. Levchenko, A/ Kasyanov, V. Sukmanov, S. Sokolov, A. Dekan, A. Sabirov, V Golovinov // Высокие давления – 2008. Фундаментальные и прикладные аспекты : тез. 10-й междунар. конф., 16-20 сент. 2008 г., Судак / Нац. акад. наук. украины, Донец. физико-техн. ин-т им. А. А. Галкина

11. Соколов С.А. Дослідження впливу високого тиску на пружні властивості м’ясного фаршу / С. А. Соколов, О. О. Декань, С. В. Громов, О. М. Горін // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2009. - Вип. 20. - С. 276-282.

12. Сукманов В. О. Створення ультразвукового пристрою для роботи в камері високого тиску. / В. О. Сукманов, О. О. Декань, І. Б. Левіт, В. Б. Гаркуша // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2009. - Вип. 22. - С. 119-128.

13. Сукманов В. О. Експериментальні дослідження реологічних показників рідких курячих яєць під час комплексної обробки високим тиском і ультразвуком / В. О. Сукманов, О. О. Декань // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. пр. / М-во освіти і науки України, Донец. нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. – Донецьк, 2010. - Вип. 23. - С. 62-74.

14. Рішення про видачу патенту від 15.02.2010р. по заявкі № u200911715. Пристрій для комплексної обробки рідких та в’язкопластичних продуктів високим тиском та ультразвуком. Сукманов В.О., Декань О.О., Соколов С.А.

15. Рішення про видачу патенту від 01.03.2010р. по заявки № u200911694. Способ обробки рідких курячих яєць високим тиском та ультразвуком. Сукманов В.О., Декань О.О.

Особистий внесок:

У роботах 1,2,3,4 автор особисто виконав постановку завдання, розробив математичні моделі, узагальнення та аналіз отриманих результатів.

У роботах 5,14,15 автор особисто запропонував принцип роботи установки, провів та узагальнив експериментальні дослідження, підготував заявку для отримання патенту.

У роботах 6,7,8,9,12,13 автор особисто розробив та виготовив експери-ментальний стенд, розробив методику експериментів, узагальнення та аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Декань О.О. Дослідницьке обладнання для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком. - Рукопис.

 Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, Донецьк, 2010 р.

У роботі вирішена актуальна задача створення дослідницького обладнання для комплексної обробки харчових продуктів високим тиском і ультразвуком.

Створено математичну модель напружено-деформованого стану КВТ, що знаходиться під сумарним навантаженням ВТ та УЗ. Запропоновано алгоритм визначення напружено деформованого стану КВТ, який складається з двох складових: статична складова рішення (під дією ВТ) та ультразвукова динамічна складова рішення (під дією УЗВ).

Розроблено установку ВТ, що забезпечує комплексну обробку харчових продуктів ВТ та УЗ в діапазоні тисків від 0 до 1000 МПа, температур від + 5 до + 80°С; обсязі досліджуваного матеріалу 5·10-6 м3, частоті УЗ впливу від 17 до 35 кГц, потужності УЗ впливу від 0 до 300 Вт, діапазоні зміни частоти генератора не менше 10ч50 кГц, діапазоні електричної резонансної частоти випромінювача 10ч30 кГц, потужності випромінювача не менше 120 Вт.

Були отримані залежності, які описують зміну деяких параметрів обладнання в процесі його експлуатації.

Оцінено ефективність запропонованого процесу. При комплексній обробці рідкого курячого яйця ВТ та УЗ скорочується час обробки на 30%, при зменшенні робочого тиску з 250 до 200 МПа, збільшується його пінотворність на 4,5 - 5%. Отримано компресійні характеристики даного продукту при комплексній обробці зразків ВТ та УЗ. Виконано оцінку економічної ефективності досліджень, що були проведені.

 Ключові слова: комплексна обробка, високий тиск, ультразвук, дослідницьке обладнання, експлуатаційні параметри, рідке куряче яйце.

АННОТАЦИЯ

Декань А.А. Исследовательское оборудование для комплексной обраблтке пищевых продуктов высоким давлением и ультразвуком. – Рукопись.

 Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.18.12 – процессы оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств.- Донецкий национальной университет экономики и торговли имени Михайла Туган-Барановского, Донецк, 2010 г.

В работе решена актуальная задача создания исследовательского оборудования для комплексной обработки пищевых продуктов питания высоким давлением и ультразвуком.

Создана математическая модель напряженно-деформированого состояния КВД, находящейся под суммарным нагружением ВД и УЗ. Акустическое напряженно-деформированное состояние КВД описано решением краевой задачи, включающей систему пространственных уравнений движения линейного изотропного упругого тела относительно введенной вектор-функции динамических волновых перемещений и систему краевых условий на элементах граничных поверхностей составного цилиндрического тела.

Предложен алгоритм определения напряженно деформированного состояние КВД, которое складывается из двух составляющих: статическая составляющая решения (под действием ВД) и ультразвуковая динамическая составляющая решения (под действием УЗИ).

Выполнен расчет УЗИ с плавной регулировкой частоты сигнала в диапазоне от 18 до 35 кГц., акустической мощностью воздействия на образец в диапазоне от 30 до 70Вт и частотой воздействия - 100Гц.

Разработана УВД, обеспечивающая комплексную обработку пищевых продуктов ВД и УЗ в диапазоне давлений от 0 до 1000 МПа, температур от + 5 до + 100°С; объёме исследуемого материала 5·10-6 м3, частоте ультразвукового воздействия от 17 до 35 кГц, мощности ультразвукового воздействия от 0 до 300 Вт, скорости перемещения поршня КВД - от 67·10-6 до 67·10-5 м/с.; диапазоне изменения частоты генератора не менее 10ч50 кГц, диапазоне электрической резонансной частоты излучателя 10ч30 кГц, мощности излучателя не менее 120 Вт.

Получены зависимости величины термоЭДС термопары от температуры в камере высокого давления, электрического сопротивления датчика давления от величины давления и температуры в рабочей камере. Эмпирическими зависимостями описаны процессы нагрева и охлаждения КВД.

Экспериментальные исследования оценена эффективность предлагаемого процесса. При комплексной обработке жидкого куриного яйца ВД и УЗ сокращается время обработки на 30% при уменьшении рабочего давления с 250 до 200 МПа, увеличивается его пенообразующую способность на 4,5 – 5%.

Получены компрессионные характеристики (изменения относительного объема, плотности, коэффициента сжимаемости, модуля объемной упругости) при комплексной обработке образцов ВД и УЗ. Выполнена оценка экономической эффективности выполненных исследований.

Ключевые слова: комплексная обработка, высокое давление, ультразвук, исследовательское оборудования, эксплуатационные параметры, жидкое куриное яйцо.

ANNOTATION

 

Dekan’ O.O. Research equipment for the complex foodstuffs processing using high pressure and ultrasound. – Manuscript.

 Thesis for the degree of the candidate of technical sciences, specialty 05.18.12 - processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical industries. - Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhailo Tugan-Baranovsky, 2010.

The urgent problem of the research equipment creation for the complex foodstuffs processing with the use of high pressure and ultrasond was resolved in this paper.

We created a mathematical model of stress and strained state of a high pressure chamber, being under the total loading of high pressure and ultrasound. The algorithm for determining the stress and strained state of a high pressure chamber, which is composed of two components: a static component of the solution (under the influence of HP) and ultrasonic dynamic component of the solution (under the influence of ultrasound) was proposed.

The high-pressure plant, ensuring the complex foodstuffs processing using HP and US in pressure range from 0 to 1000 МPа, in temperature range from + 5 to + 100°С; volume of investigated material 5·10-6 м3, frequency of ultrasonic effect from 17 to 35 kHz, power of ultrasonic effect from 0 to 300 Watt, frequency range of the generator no less than 10ч50 kHz, electrical resonance frequency range of the emitter 10ч30 kHz, emitter power no less than 120 Watt, was developed.

The dependencies, describing the change of some parameters of the equipment during its operation, were obtained.

The efficiency of the proposed process was estimated. During the complex processing of a liquid hen egg using HP and US, the processing time decreases by 30%, when the operating pressure is decreased from 250 to 200 МPа, its foaming capacity increases by 4,5 – 5%. The compression characteristics of this product under the complex samples’ processing, using high pressure and ultrasound were obtained. The estimation of cost-effectiveness of these investigations was carried out.

 Key words: complex processing, high pressure, ultrasound, research equipment, operating parameters, liquid hen egg.


Підписано до друку 05.05.2010  Формат 60х84/16 Папір офсетний.

Гарнітура  Times New Roman. Друк – різографія. Ум.друк.арк. 0,9

 Тираж 120 прим. Зам. № 338

Донецький національний  університет економіки і торгівлі

імені Михайла Туган-Барановського

83050, м. Донецьк, вул. Щорса, 31. Тел. (062) 337–93–61

Редакційно-видавничий відділ

83023, м. Донецьк, вул.Харитонова, 10

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру видавців, виготівників і розповсюджувачів видавничої продукції ДК № 3470 від 28.04.2009 р.