CC BY
2
УДК 66.974.434 DOI 10.52231/2225-4269_2023_2_184
Разработка и оптимизация работы аппарата для сгущения НФ-концентрата
творожной сыворотки
Фиалкова Евгения Александровна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологического оборудования e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Баронов Владимир Игоревич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологического оборудования e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологического оборудования e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Новичихин Вячеслав Дмитриевич, студент-магистрант e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Нечаев Константин Александрович, студент-бакалавр e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Ключевые слова: выпаривание, НФ-концентрат, компьютерное моделирование, выпарной аппарат, концентратор.
Аннотация. В работе представлено виртуальное моделирование гидродинамических процессов в аппарате-концентраторе для НФ-концентрата молочной сыворотки в программе SolidWorks Flow Simulation. Выполнен анализ траекторий потоков воздуха и капель продукта в установке при концентрировании НФ-концентрата творожной сыворотки. Проведены расчеты по определению конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров концентратора для переработки 10 тонн творожной сыворотки в сутки. В настоящее время существует проблема недостаточно полного использования творожной, а часто и подсырной сыворотки на пищевые цели. Как правило, часть ее идет на корм скоту и очень много сыворотки выливается молокозаводами со сточными водами. Это относится преимущественно к творожной сыворотке, которая является отходом производства творога на малых и средних молокоперерабатывающих предприятиях [1]. Предлагаются различные идеи по решению проблемы утилизации сыворотки, однако до сих пор в промышленном масштабе они остаются нерешенными [2, 3]. В то же время сыворотка включает ценнейшие пищевые и даже лечебные ингредиенты. Она содержит до 200 наименований биологически активных веществ, все ценнейшие для организма микроэлементы (кальций, калий, фосфор, магний и др.), витамины (Е, С, группы В и т. д.). В частности, в сыворотке содержатся редкие формы витаминов: биотин, витамин Н, фермент R, холин и др. Употребляемая в пищу сыворотка очищает кишечник, выводит из организма шлаки и токсины, способствует нормальной работе печени и почек, а также деятельности головного мозга, разжижает кровь и очищает сосуды [4-7]. Доказано, что, обладая уникальными свойствами, сыворотка может быть успешно использована по разным направлениям пищевой промышленности и даже в фармакологии [8-12]. Основным недостатком сыворотки, обуславливающим проблемы с ее использованием, является избыток влаги (93-96%), минеральных веществ (0,5-0,8%), а также лактозы (3,5-4%). Для повышения ее вкусовых качеств и дальнейшего ее использования на пищевые цели из сыворотки удаляют избыточную влагу, минеральные вещества и лактозу [13-22]. Существующее оборудование для переработки сыворотки предназначено в основном для крупных сыродельных заводов с объемами сыворотки свыше 100 тонн в сутки. Это оборудование неэкономично для малых и средних предприятий с объемами сыворотки менее 50 тонн в сутки. Наиболее экономичным способом переработки сыворотки для таких предприятий является применение нанофильтрации для частичного сгущения ее до 25% сухих веществ. Применяя последующую диафильтрацию, степень сгущения можно повысить до 30% сухих веществ с сопутствующей деминерализацией до 50% от исходного содержания солей [23]. Для бо-
лее глубокой переработки (удаления избыточной лактозы) полученный НФ-концентрат необходимо сгустить, выкристаллизовать избыточную лактозу и отделить ее от мелассы, чтобы полученный продукт по соотношению количества белков и лактозы приближался к коровьему молоку. Тогда его можно использовать при производстве кисломолочных продуктов, повышая при этом их пищевую и биологическую ценность. Повсеместно используемые вакуум-выпарные аппараты имеют высокую производительность и неэкономичны для указанных выше объемов сыворотки на малых и средних предприятиях. Одним из возможных способов сгущения является применение для этих целей идей, заложенных в известном концентраторе-выпаривателе. Однако этот концентратор изначально предназначен для сгущения натуральной сыворотки, обрата, или молока, но не был предусмотрен для концентрирования НФ-концентрата сыворотки.
Целью работы является обоснование конструктивных эксплуатационных и технологических параметров и режимов работы специального концентратора для сгущения творожной сыворотки на основе компьютерного моделирования гидродинамических процессов в программе SolidWorks Flow Simulation.
Для этого рассматривался конкретный пример работы аппарата на малом предприятии, определялись его конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры, а затем производилось компьютерное моделирование процесса выпаривания с получением гидродинамических характеристик всех возникающих в концентраторе потоков, в результате делались выводы о допустимости соответствующих параметров концентратора для условий его работы (рис. 1).
б
Рисунок 1 - Установка для концентрирования НФ-концентрата молочной сыворотки: а - конструкция концентратора, б - схема установки, 1 - цилиндр; 2 -мешалка; 3 - отверстие для входа воздуха; 4 - отверстие для выхода воздуха; 5, 7 - щит; 6 - паровая рубашка; 8 - кольцевое пространство; 9 - кольцевой отворот; 10 - патрубок ввода продукта; 11 - патрубок отвода сгущённого продукта; 12 -бак; 13 - промежуточный щит; 14 - воздуховод
Исследования проводились применительно к предприятию, имеющему необходимость переработки 10 тонн сыворотки в сутки. Первоначальное сгущение сыворотки до содержания сухих веществ предполагалось производить дешевым мембранным методом - нанофильтрацией с дополнительной операцией диафильтрации, которая позволяет сгустить сыворотку до содержания сухих веществ около 30%. Именно с таким содержанием сухих веществ сыворотка поступает в аппарат.
Аппарат состоит из горизонтального цилиндрического корпуса с помещенной в нем мешалкой, которая служит для усиления процесса испарения путём сильного перемешивания сгущаемого продукта с продуваемым через аппарат воздухом. Для продувки воздуха через аппарат в торцевых частях цилиндрического корпуса имеются осесим-метричные отверстия для впуска и отсасывания воздуха. Конструкция предусматривает специальные щиты, направляющие воздух на поверхность испарения.
Аппарат представляет собой цилиндр 1 с наружной паровой рубашкой 6. Внутри цилиндра 1 имеется мешалка 2. Аппарат располагается горизонтально. Перед сгущением продукт подогревается до 70° С и самотеком из бака 12 через патрубок 10 поступает в аппарат, заполняет нижнюю часть кольцевого пространства 8 и через кольцевой отворот 9 переливается непосредственно в рабочую часть концентратора. Кольцевой отворот 9 служит для устранения выбрасывания жидкости в отверстие для выхода воздуха. Свежие порции сырья захватываются мешалкой и тонким слоем распределяются по стенке обогреваемого цилиндра. Благодаря вращательному движению мешалки 2 тонкий слой продукта постоянно перемешивается, что усиливает как теплопередачу, так и испарение. По мере испарения жидкость постепенно передвигается по цилиндру, сгущается и в отверстие 11 выходит в сгущенном виде. Для удаления паров через аппарат продувается свежий воздух, поступающий через отверстие 3 и после насыщения отсасываемый через отверстие 4 по воздуховоду 14. На оси мешалки установлены щиты 5, направляющие струи свежего воздуха на поверхность испарения жидкости на внутренней стенке цилиндра 1. Щит 7, установленный на выходном для воздуха конце цилиндра 1, служит для отражения капель сгущаемого продукта и исключения потерь продукта с отводимым, насыщенным влагой воздухом, который затем выпускается через отверстие 4. Щит 13 выполняет промежуточную функцию отражения между щитами 5 и 7. Продукт в аппарате подогревается отработанным паром с давлением 0,13 МПа.
Как уже отмечалось выше, такие аппараты целесообразно применять на малых и средних предприятиях с объемами сыворотки до 50 тонн в сутки. Рассмотрим пример применения такого способа сгущения сыворотки с содержанием сухих веществ 6% на предприятии с объемом сыворотки 10 тонн в сутки. Рассмотрим условие, когда НФ-концентрат проходит первичную концентрацию на нанофильтрационной установке с последующей диафильтрацией до содержания сухих веществ 30% [23]. Примем еще одно условие, что влага из НФ-концентрата на концентраторе выпаривается до содержания сухих веществ 55%. Примем, что время выпаривания НФ-концентрата в аппарате составляет 9 часов.
В результате анализа, получены следующие конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры концентратора, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Конструктивные и эксплуатационные параметры концентратора
Параметр Численное значение
Всего сухих веществ в 10 тоннах продукта 600 кг
Осталось сыворотки после нанофильтрации (30% сухих веществ) 2000 кг
Всего сгущенной сыворотки до 55% сухих веществ 1090,91 кг
Необходимо выпарить влаги на концентраторе 1000кг
Расход пара на весь процесс 909,09 кг
Производительность аппарата по выпаренной влаге 101,01 кг/час
Количество воздуха необходимого на весь процесс 15151,5 кг
Расход воздуха в час 1683,5 кг/час
Расход воздуха в секунду 0,467 кг/сек
Подача продукта в аппарат 222,22 кг/час
Продольная скорость воздуха в аппарате 1 м/с
Площадь поверхности теплообмена 0,467 м2
Диаметр внутренней обечайки 0,77 м
Длина аппарата 1,925 м
Поперечный размер патрубка для отвода воздуха 0,1x0,05 м
Площадь сечения выходного канала 0,005 м3
Частота вращения мешалки 100-200 об/ мин
Центробежное число Рейнольдса 5,9-105
Экспериментальная зависимость Кп(Яе) 2,5
Мощность привода мешалки 3,4 кВт
Гидродинамические условия протекания процесса можно считать определяющими для аппаратов данного типа, так как в результате
большой скорости движения мешалки относительно продукта происходит его интенсивное разбрызгивание и есть вероятность уноса капель продукта отработанным воздухом. С другой стороны, увеличение скорости вращения мешалки приведет к появлению больших центробежных сил, которые отбросят капли НФ-концентрата к периферии и сократят время пребывания их в воздушном потоке. Уменьшение числа оборотов мешалки приведет к снижению энергозатрат, поэтому выбраны два варианта частоты вращения мешалки nmin =100 об/мин и nmax = 200 об/мин. Программа SolidWorks Flow Simulation дает возможность детально исследовать как гидродинамические условия движения воздушных потоков, так и разбрызгиваемых в нем капель сгущаемого НФ-концентрата.
В программе используется метод конечных элементов. Она автоматически разбивает трехмерную модель на элементарные участки с помощью сетки. Гидродинамические параметры определяются на каждом элементе, далее с помощью последовательных приближений обеспечивается условие полной сходимости. Точность и длительность анализа зависит от размеров ячеек сетки. Выбран средний третий уровень по восьмибалльной шкале размеров сетки. Анализ выполнен на основе конструктивных и эксплуатационных параметров концентратора, представленных в таблице 1, а также технологических и физических параметров воздуха и НФ-концентрата, представленных в таблице 2.
Целью моделирования является анализ влияния числа оборотов мешалки на траекторию воздушного потока внутри аппарата, скорость воздуха внутри аппарата и возможность уноса капель сыворотки распределенных в воздушном потоке внутри аппарата во взвешенном состоянии. Оценивалась общая скорость потока и его направление в каждой точке траектории.
На рисунке 2 показаны продольные разрезы аппарата с траекториями движения воздушных потоков при большом (200 об/мин) и малом (100 об/мин) числе оборотов мешалки.
В зависимости от числа оборотов мешалки меняются траектории движения воздушных потоков. Необходимость рассмотрения двух предельных вариантов числа оборотов мешалки вызвана, как уже упоминалось выше, влиянием их на интенсивность каплеобразования из сгущаемого НФ-концентрата и распределением их в объеме аппарата.
Таблица 2 - Технологические и физические параметры процесса выпаривания
Параметр Численное значение
Температура окружающего воздуха 20 °С
Давление окружающего воздуха 101325 Па
Гравитационная постоянная (по оси Y) -9,81 м/с2
Тип среды в аппарате Воздух
Температура воздуха внутри аппарата 85 °С
Взвешенная фракция НФ-концентрат творожной сыворотки
Плотность НФ-концентрата 1150 кг/м3
Коэффициент поверхностного натяжения НФ-концентрата 0,0482 Дж/м2
Динамическая вязкость НФ-концентрата 0,0016 Па-с
Удельная теплоёмкость НФ-концентрата 4082 Дж/(кг-К)
Коэффициент теплопроводности НФ-концентрата 0,54 Вт/(м-К)
Коэффициент динамической вязкости воздуха 21,1-10"6 Па-с
Удельная теплоёмкость воздуха 1005 Дж/(кг-К)
Коэффициент теплопроводности воздуха 0,026 Вт/(м-К)
Плотность воздуха 0,972 кг/м3
Тип течения Ламинарное и турбулентное
Рисунок 2 - Траектории движения воздуха в продольном разрезе аппарата
а - п1 =200 об/мин; б - п2=100 об/мин; стрелками показано направление движения воздуха на входе и выходе из аппарата; 1 - области потока, увеличенные и вынесенные на рисунок 3.
Как видно из рисунка 2, нижняя часть кольцевого пространства 8 (см. рис. 1) занята сгущаемым НФ-концентратом и закрыта для воздуха. Поэтому при расчетах гидродинамических параметров потока эта облсть исключалась из рассмотрения. На рисунке 2 представлены поперечные разрезы аппарата. На нем можно увидеть четыре отдельные траектории движения воздуха в аппарате как при большом, так и при малом числе оборотов мешалки. На данном рисунке хорошо видна траектория захода воздуха в аппарат, выход воздуха из аппарата, а также основная область движения, которая при заданных параметрах чётко выражена и напоминает несколько пересекающихся синусоид. На рисунках 2а и 2б хорошо видно, что основная воздушная масса после захода в аппарат увлекается вслед за мешалкой, проходит через специальные отверстия в щитах в аппарате и выходит через раструб.
Цвет линии отражает скорость движения потока в соответствии со шкалой, расположенной слева от рисунка. Шкала скорости потока варьируется от 0 до ~13 м/с, и пределы варьирования скорости потока практически не зависят от числа оборотов мешалки. Скорость основной воздушной массы внутри аппарата (там где воздух проходит через специальные отверстия в щитах) составляет « 3,7 м/с. При этом скорость мешалки в этом месте при частоте п1 =200 об/мин составит:
где Do- диаметр расположения отверстий в щитах. Do=0,35м При вращении мешалки с частотой п2 =100 об/мин
Определим линейную скорость вращения самой мешалки:
= 2,ЗДТ°'77 - 06м/с (3)
где П1- число оборотов мешалки П1=200 1/мин D - диаметр рабочего пространства аппарата D=0,77м. Соответственно, для малых обороов мешалки П2=100 об/мин эта скорость составит V2= 4,03 м/с.
Средняя скорость движения воздуха вдоль аппарата:
V = 4-% = 1— (4)
воэд тт02 тс-0,77 с
где Gвозд- расход воздуха в единицу времени Gвозд=0,467 мз/с. Время прохождения воздуха между соседними перегородками составляет:
где Lпер - расстояние между перегородками. Если сопоставить между собой скорость вращения мешалки и скорость воздушного потока на периферии рабочего пространства камеры, то ориентируясь на цветовую шкалу можно с достаточной степенью точности сказать, что скорость воздушного потока на периферии приближается к скорости вращения мешалки. Вблизи оси его скорость снижается до 1 м/с и даже ниже. Анализ распределения скоростей воздушных потоков в рабочей камере концентратора-выпаривателя показывает хорошее совпадение теоретических предпосылок и компьютерного гидродинамического моделирования.
Если сравнить между собой траектории движения воздуха на ри-
сунках 2а и 26, основная область движения при заданных параметрах на рисунке 26 выражена меньше, чем в первом случае, траектория более турбулентная, прослеживается синусоида с большим периодом.
При более детальном рассмотрении траекторий потоков (рис. 3) видно, что они перемешиваются между собой. Особенно это отчетливо видно на рисунке 36: при малом числе оборотов из-за существенной турбулентности потока происходит еще более интенсивное перемешивание слоев.
—п
г» / л 1 и
Скорость [т/5]
—
í ** м
Скорость [шУг]
в
а
о
Рисунок 3 - Сопоставление характеристик траекторий воздушных потоков в зонах 1, выделенных на рисунке 2: а - при большом числе оборотов мешалки (п1 =200 об/мин); б - при малом числе оборотов мешалки (п2 =100 об/мин)
Одновременно с подачей воздуха в камеру в ней вращается мешалка, которая разбрызгивает НФ-концентрат. Предельный, наименьший диаметр капель НФ-концентрата, которые не дробятся в воздушном потоке,определяется по формуле [24, 25]:
а = (2+3 )Ь = (2+3)-0,0021 = (0,0042+0,0063) (6)
кэп
где Ь - капиллярная постоянная:
= V 9,8(115^0,972)" =0>002 1 М'
ь =
О)
Как показали расчеты по формулам 4 и 5, критический размер капель находится в пределах от 4 до 6 мм. Для дальнейшего анализа примем размер капель dкап=5мм = 0,005 м. Будем считать, что это наименьший размер капели, которые уже не будут дробиться в воздушных
194 Молочнохозяйственный вестник, №2 (50), II кв. 2023
потоках концентратора.
На рисунке 4 показано распределение взвешенных капель при большой и малой частоте вращения мешалки.
б
Рисунок 4 - Распределение капель НФ-концентрата в воздушном потоке: а - при большом числе оборотов мешалки (п1 =200 об/ мин); б - при малом числе оборотов мешалки (п2 =100 об/ мин); 1 - кольцевое пространство; 2 - рабочная камера
Капли НФ-концентрата вдоль аппарата переносятся воздухом, поэтому время прохождения капли межу перегородками составляет 0,45 с. Кроме того, капли перемещаются в радиальном направлении за счет действия центробежных сил Fц. На капли, перемещающиеся с воздушным потоком в окружном направлении, на радиусе вблизи « О0/2, действует центробежная сила:
г
V
[[ЯП
F = = 2-7,5-10 = 0, 0127 Н. (8)
Ц Оо ' 0Д9 ' у '
где т - масса капли.
з
т =-^тк*3 р =тп = -^7тГ5107, 5~Е] 1150 - 7,5-10~5 кг (9)
6 кап н о \ /
Vкап - скорость движения капли при большом числе оборотов мешалки Vкап= Vl0= 3,7 м/с;
dкап - диаметр капли НФ концентрата, dкап = 5•10-3м;
рн - плотность НФ-концентрата рн = 1150 кг/мз.
Определим критерий Рейнольдса капли по косвенным показателям. Поскольку, как видно на рисунках, капля из кольцевого пространства на выходе из аппарата (рис. 1, поз. 14 и рис. 2) не уносится потоком, а скорость движения потока 13 м/с, то скорость падения капли под действием сил тяжести должна быть больше или равна скорости потока. Принимая скорость капли в пределах ук =1^7 м/с для рабочей камеры и 13 м/с для кольцевого пространства 8 (см. рис. 1) на выходе из концентратора, получим:
Не = V (1 р к Ц 1-5-10 3 0,972 21,1-10-6 = 230 (Ю)
Ее ~ И 7-5-10"3 0,972 21,1-10-6 = 1612 (11)
Не = V <йр к 13-510 ^0,972 = 2994 (12)
И 21,1-10-6
При больших числах Рейнольдса движение капли в газе сопровождается отрывом потока в кормовой части ее поверхности для сферической капли при Яе>>1 (практически при Яе>20). Скорость падения определяется по формуле:
= УК = 2, 5д/-—-= 13, 27 м/с (13)
г = 2, 5-
И ' V 2р
V возд
Таким образом, скорость падения капли несколько больше максимальной скорости воздушного потока (см. рис. 2). Шкала показывает, что максимальная скорость потока для числа оборотов мешалки п1 = 200 об/мин составляет 13,00 м/с, а для числа оборотов мешалки п2 = 100 об/мин она составляет 13,139 м/с. Поэтому капли не уносят-
ся воздушным потоком из аппарата. Этот результат совпадает с компьютерным моделированием. Большое скопление капель в выходной кольцевой зоне 1 (см. рис. 3) объясняется медленным их падением по отношению к воздушному потоку, т. к. они падают в направлении, противороложном движению потока воздуха. Напротив, в рабочей зоне капли уносятся воздухом, который приводится во вращение мешалкой. Под действием центробежных сил капли отбрасываются к периферии в слой вращающейся жидкости. Поэтому в области расположения рабочей камеры видно небольшое скопление капель.
В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что рассмотренные конструктивные и технологические параметры выпарного аппарата допустимы для концентрирования на нем НФ-концентрата творожной сыворотки.
Литература:
1. Дятловская, Е.В. России лишь 21 % молочной сыворотки идет на переработку / Е.В. Дятловская, Т. Кулистикова // Агроинвестор. -2019. - URL: https:// www.agroinvestor.ru/analytics/news/31329-v-rossM-lish-21-molochnoy-syvorotki-idet-na-pererabotku/
2. Методология решения проблемы очистки стоков молокопере-рабатывающих предприятий / Д.С. Мамай, С.П. Бабенышев, А.В. Мамай, В.А. Иванец, Д.С. Хоха // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2022. - Т. 84.- № 1 (91). - С. 214-221.
3. Справочник по переработке молочной сыворотки. Технологии, процессы и аппараты, мембранное оборудование / Г.Б. Гаврилов, А.Ю. Просеков, Э.Ф. Кравченко и др. - СПб.: ИД Профессия, 2015. -176 с.
4. Семенова, А.А. Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки/ А.А. Семенова // Актуальные исследования. - 2023. - № 1 (131). - С. 10-12.
5. Рахматова, Д.Г. Исследование физико-химических показателей творожной сыворотки / Д.Г. Рахматова, Х.Б. Иноятова // Интернаука. - 2019. - № 14-1(96). - С. 10-11.
6. Остроумов, Л.А. О составе и свойствах молочной сыворотки / Л.А. Остроумов, Г.Б. Гаврилов // Хранение и переработка сельхозсы-рья. - 2006.- № 8. - С. 47-48.
7. Сокровище найдено: что с ним делать?/ А.Г. Храмцов [и др.] // Молочная промышленность. - 2013. - № 6. - С. 30-32.
8. Свойства и перспектива применения белка молочной сыворотки лактоферрина в медицине и ветеринарии (обзор) / Е.Т. Жиляко-ва, О.О. Новиков, А.В. Хмыров, Д.А. Фадеева, В.Э. Гуляева, А.Ю. Малю-
тина, Н.В. Автина // Разработка и регистрация лекарственных средств.
- 2022. - Т. 11. - № 1. - С. 32-39.
9. Пат. 2765057 Российская Федерация МПК A23C9/123 A23C9/133 Способ создания творожной пасты / А.М. Пати-ева, А.В. Зыкова, С.В. Патиева, Т.Н. Садовая; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина. - № 2021102167, заявл. 29.01.2021; опубл. 25.01.2022., Бюл. № 3.
10. Пат. 2789462 Российская Федерация, МПК A23C9/13. Кисломолочный продукт для геродиетического питания / А.Т. Антипова и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУН Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи питания и биотехнологии. - № 2022111058; заявл. 22.04.2022; опубл. 03.02.2023, Бюл. № 4.
11. Пат. 2772323 Российская Федерация, МПК A23L 2/38, A23C 21/08. Способ получения напитка с использованием плодового сырья и молочной сыворотки/ К.Н. Нициевская, О.К. Мотовилов, Е.В. Боро-дай; заявитель и патентообладатель ФГБУН Центр агробиотехнологий Российской академии наук.- № 2021132909; заявл. 11.11.2021; опубл. 18.05.2022, Бюл. № 14.
12. Лазарев, В.А. Применение концентрата творожной сыворотки в хлебопекарном производстве / В.А. Лазарев, Т.А. Титова // Перспективы развития пищевой и химической промышленности в современных условиях: мат-лы Всероссийской науч.-практ. конф., приуроч. к 45-летию факультета прикладной биотехнологии и инженерии Оренбургского государственного университета, Оренбург, 24-25 октября 2019 года. - Оренбург: Оренбургский государственный университет. - 2019.
- С. 104-108.
13. Славоросова, Е.В. Один из путей переработки молочной сыворотки на пищевые цели / Е.В. Славоросова, Е.А. Фиалкова, В.Б. Шевчук // Актуальные вопросы развития аграрного сектора экономики Байкальского региона: мат-лы Всероссийской (национальной) науч.-практ. конф., посвящ. Дню Российской науки, Улан-Удэ, 04-10 февраля 2021 года. - Улан-Удэ: Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова. - 2021. - С. 332-336.
14. ГОСТ Р 56833-2015 Сыворотка молочная деминерализованная. Технические условия / Профессиональные справочные системы «Техэксперт». - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200129055.
15. Пат. 3615664 США Обработка сыворотки, МКИ А 23С 21/00, A23C 9/144, A23C 9/00. / FrancisLeo H. (Burlingame, CA) заявитель и патентообладатель Foremost-McKesson, Inc. (SanFrancisco, CA); заявл. 5.12.69.; опубл. 26.10.71.
16. Томилова, А.П. Энергосберегающая технология производства сыворотки / А.П. Томилова, М.М. Беззубцева // Роль молодых ученых и исследователей в решении актуальных задач АПК: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых и обучающихся. - 2020. - С. 333336.
17. Шумейко, В.В. Состояние рынка молочной сыворотки в России и за рубежом / В.В. Шумейко, Ж.Г. Прокопец, С.В. Журавлева // Научное сообщество студентов XXI столетия. Общественные науки: Мат-лы VI студенч. междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск, 13 декабря 2012 года. - Новосибирск: Сибирская академическая книга, 2012. - 109-117 с.
18. Панченко, С.Л. Исследование процесса концентрирования творожной сыворотки методом вымораживания: дис. ... канд. техн. наук : 05.18.12 / Панченко Сергей Леонидович. - Воронеж, 2010. - 187 с.
19. Золоторева, М.С. Технология концентрирования белков творожной сыворотки и их использование в производстве кисломолочных напитков : дис. ... канд. техн. наук : 05.18.04 / Золоторева Марина Сергеевна. - Ставрополь, 2006. - 183 с.
20. Лазарев, В.А. Концентрирование аминокислот творожной сыворотки на керамических мембранах / В.А. Лазарев, Т.А. Титова // Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, достижения и тенденции развития: сб. статей победителей II Междунар. науч.-практ. конф., Пенза, 28 января 2017 года / под общей редакцией Г.Ю. Гуляева. - Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.), 2017. - С. 62-65.
21. Овсянников, В.Ю. Криоконцентрирование творожной сыворотки / В.Ю. Овсянников, Ю.С. Краминова, С.Л. Панченко // Молочная промышленность. - 2017. - № 1. - С. 61-63.
22. Пат. № 2717971 Российская Федерация, МПК А23С 21/00, А23С 9/142, А23С 1/08. Способ получения сухого сывороточного продукта / В.Е. Жидков, С.П. Бабенышев, А.А. Брацихин [и др.]; заявитель и патентообладатель ООО «СТМЕМБ».- № 2019121136; заявл. 05.07.2019; опубл. 27.03.2020 , Бюл. № 9.
23. Костюков, Д.М. Совершенствование процесса производства сухой деминерализованной творожной сыворотки: дис. ... канд. техн. наук : 05.18.12 / Костюков Дмитрий Михайлович - М., 2016. - 152 с.
24. Вараксин, А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения (обзор) / А.Ю. Вараксин // Теплофизика высоких температур. - 2013. - Т. 51. № 3. - С. 421.
25. Дейч, М.Е. Газодинамика двухфазных сред / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 472 с.
References:
1. Dyatlovskaya, E., Kulistikova T. V Rossii lish' 21 % molochnoj syvorotki idet na pererabotku. [In Russia, only 21% of whey is processed]. Agroinvestor. [Agroinvestor]. - Text electronic. DOI: https:// www. agroinvestor.ru/analytics/news/31329-v-rossii-lish-21-molochnoy-syvorotki-idet-na-pererabotku /. (In Russian).
2. Mamai, D.S, Babenyshev, S.P., Mamai, A.V., Ivanets, V.A., Khokha, D.S. Methodology of solving the problem of wastewater treatment of milk processing enterprises. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij. [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2022, T. 84, no. 1(91), pp. 214221. - Text direct. (In Russian).
3. Gavrilov, G.B., Prosekov, A.Y., Kravchenko, E.F. Spravochnik po pererabotke molochnoj syvorotki. Tekhnologii, processy i apparaty, membrannoe oborudovanie. [Handbook of whey processing. Technologies, processes and apparatuses, membrane equipment]. St. Petersburg: Profession Publishing House, 2015, p.176. - Text direct. (In Russian).
4. Semenova, A.A. Nutritional and biological value of whey. Aktual'nye issledovaniya. [Current research], 2023, no. 1 (131), pp. 1012. - Text direct. (In Russian).
5. Rakhmatova, D. G. Inoyatova, H. B. Investigation of physico-chemical parameters of curd whey. Internauka. [Internauka], 2019, no. 14-1(96), pp. 10-11. - Text direct. (In Russian).
6. Ostroumov, L.A. Gavrilov, G.B. About the composition and properties of whey. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. [Storage and processing of agricultural raw materials], 2006, no. 8, pp. 47-48. - Text direct. (In Russian).
7. Khramtsov, A.G. Treasure found: what to do with it? Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2013, no.6, pp. 30-32. - Text direct. (In Russian).
8. Zhilyakova, E.T. Novikov, O.O., Khmyrov, A.V. Properties and prospects of the use of lactoferrin whey protein in medicine and veterinary medicine (review). Razrabotka i registraciya lekarstvennyh sredstv. [Development and registration of medicines], 2022, no. 11 (1), pp. 32-39. - Text direct. (In Russian).
9. Patieva, A.M., e.a. Sposob sozdaniya tvorozhnoj pasty. [Method of creating cottage cheese paste]. Patent RF, no. 2021102167, 2022 (In Russian)
10. Antipova, A.T. Kislomolochnyj produkt dlya gerodieticheskogo pitaniya. [Fermented milk product for herodietic nutrition]. Patent RF, no. 2789462, 2023. (In Russian)
11. Nitievskaya,K.N., e.a.Sposobpolucheniya napitka sispol'zovaniem
plodovogo syr'ya i molochnoj syvorotki. [A method for producing a drink using fruit raw materials and whey]. Patent RF, no. 2772323, 2021. (In Russian).
12. Lazarev, V.A.,Titova,T.A.Theuse ofcurd wheyconcentratein bakery production. Perspektivy razvitiya pishchevoj i himicheskoj promyshlennosti v sovremennyh usloviyah: Materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, priurochennoj k 45-letiyu fakul'teta prikladnoj biotekhnologii i inzhenerii Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, Orenburg, 24-25 oktyabrya 2019 goda. [Prospects for the development of the food and chemical industry in modern conditions: Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference dedicated to the 45th anniversary of the Faculty of Applied Biotechnology and Engineering of Orenburg State University, Orenburg, October 24-25, 2019], Orenburg, Orenburg State University, 2019, pp. 104-108. - Text direct. (in Russian).
13. Slavorosova, E. V. Fialkova, E. A., Shevchuk, V. B. One of the ways of processing whey for food purposes. Aktual'nye voprosy razvitiya agrarnogo sektora ekonomiki Bajkal'skogo regiona: materialy Vserossijskoj (nacional'noj) nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj Dnyu Rossijskoj nauki, Ulan-Ude, 04-10 fevralya 2021 goda. [Topical issues of the development of the agricultural sector of the economy of the Baikal region: materials of the All-Russian (national) scientific and practical conference dedicated to the Day of Russian Science, Ulan-Ude, February 04-10, 2021], Ulan-Ude, Buryat State Agricultural Academy named after V.R. Filippov, 2021, pp. 332-336. - Text direct. (In Russian).
14. State Standard R 56833-2015 Demineralized milk whey. Technical specifications. Professional'nye spravochnye sistemy «Tekhekspert». [Professional reference systems «Techexpert»]. - Text electronic. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200129055. (In Russian).
15. FrancisLeo H. Obrabotka syvorotki. [Serum processing]. Patent USA, no. 3615664, 1969.
16. Tomilova, A.P., Bezzubtseva, M.M. Energy-saving technology of serum production. V sbornike: Rol' molodyh uchenyh i issledovatelej v reshenii aktual'nyh zadach APK. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh i obuchayushchihsya. [In the collection: The role of young scientists and researchers in solving urgent problems of the agro-industrial complex. Materials of the international scientific and practical conference of young scientists and students], 2020, pp. 333-336. - Text direct. (In Russian).
17. Shumeyko, V.V. Prokopets, Zh.G., Zhuravleva, S.V. The state of the whey market in Russia and abroad. Scientific community of students of the XXI century. Nauchnoe soobshchestvo studentov XXI stoletiya. Obshchestvennye nauki: Materialy VI studencheskoj mezhdunarodnoj
zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Novosibirsk, 13 dekabrya 2012 goda. [Social Sciences: Materials of the VI Student International Correspondence Scientific and Practical Conference, Novosibirsk, December 13, 2012], Novosibirsk: Siberian Academic Book Limited Liability Company, 2012, pp. 109-117. - Text direct. (In Russian).
18. Panchenko, S. L. Issledovanie processa koncentrirovaniya tvorozhnoj syvorotki metodom vymorazhivaniya: dis. ... kand. tekhn. nauk. [Investigation of the process of concentration of curd whey by freezing. PhD Diss. (Technics)]. Voronezh, 2010. 187 p. - Text direct. (In Russian).
19. Zolotoreva, M. S. Tekhnologiya koncentrirovaniya belkov tvorozhnoj syvorotki i ih ispol'zovanie v proizvodstve kislomolochnyh napitkov : dis. ... kand. tekhn. nauk. [Technology of concentration of curd whey proteins and their use in the production of fermented milk drinks. PhD Diss. (Technics)]. Stavropol, 2006. p. 183. - Text direct. (In Russian).
20. Lazarev, V. A., Titova, T. A. Concentration of amino acids of curd whey on ceramic membranes. NAUKA i innovacii v XXI veke: aktual'nye voprosy, dostizheniya i TENDENCII RAZVITIYA: Sbornik statej pobeditelej II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Penza, 28 yanvarya 2017 goda. [SCIENCE and innovation in the XXI century: current issues, achievements and DEVELOPMENT TRENDS: Collection of articles of the winners of the II International Scientific and Practical Conference, Penza, January 28, 2017]. Penza: «Science and Education» (IP Gulyaev G.Yu.), 2017, pp. 62-65. - Text direct. (In Russian).
21. Ovsyannikov, V. Y., Kraminova, Y. S., Panchenko, S. L. Cryoconcentration of curd whey. Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2017, no.1, pp. 61-63. - Text direct. (In Russian).
22. Zhidkov, V. E., Babenyshev, S. P., Bratsikhin, A. A. Sposob polucheniya suhogo syvorotochnogo produkta. [A method for obtaining a dry whey product]. Patent RF, no. 2717971, 2020. (In Russian).
23. Kostyukov D.M. Sovershenstvovanie processa proizvodstva suhoj demineralizovannoj tvorozhnoj syvorotki: dis. ... kand. tekhn. nauk. [Improvement of the production process of dry demineralized curd whey. PhD Diss. (Technics)]. Moscow, 2016, 152 p. - Text direct. (In Russian).
24. Varaksin, A. Yu. Hydrogas dynamics and thermophysics of two-phase flows: problems and achievements (review). Teplofizika vysokih temperatur. [Thermophysics of high temperatures], 2013, no.51(3), p. 421. - Text direct. (In Russian).
25. Deich, M.E. Filippov, G.A. Gazodinamika dvuhfaznyh sred. [Gas dynamics of two-phase media]. Moscow, Energoizdat, 1981. p.472. - Text direct. (In Russian).
Development and optimization of the apparatus for thickening the NF-concentrate of curd whey
Fialkova Evgeniya Aleksandrovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Technological Equipment e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin»
Baronov Vladimir Igorevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of the Department of Technological Equipment e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin»
Shevchuk Vladimir Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of the Department of Technological Equipment e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin»
Novichikhin Vyacheslav Dmitrievich, undergraduate student e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin»
Nechaev Konstantin Alexandrovich, Bachelor student e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Academy named after N.V. Vereshchagin»
Keywords: evaporation, NF-concentrate, computer simulation, evaporation apparatus, concentrator.
Abstract. The paper presents a virtual simulation of hydrodynamic processes in a concentrator device for whey NF-concentrate in the Solidworks Flow Simulation program. The analysis of the trajectories of air flows and product droplets in the unit during the concentration of curd whey NF-concentrate was performed. Calculations were carried out to determine the design, technological and operational parameters of the concentrator for processing 10 tons of curd whey per day.
